Krzepnięcie

Weźmy zlewkę z naftaliną, która została ogrzana na palniku o kilkanaście stopni powyżej jej temperatury topnienia. Odsunąwszy palnik i zanurzywszy termometr w płynnej naftalinie, będziemy obserwowali co się stanie, gdy temperatura stopniowo zacznie opadać.

Gdy dojdzie ona do temperatury 78 stopni, wystąpią pierwsze kryształki stałej naftaliny, których ilość odtąd będzie stale wzrastała aż do zakrzepnięcia całej masy. Najważniejszą jednak jest ta okoliczność, że od chwili wystąpienia pierwszych kryształków naftaliny, aż do zestalenia się całej masy, termometr zatrzymuje się na pewnej stałej temperaturze (78 stopni), równej temperaturze topnienia tegoż ciała. Temperaturę, w której ciało krzepnie, nazywamy temperaturą krzepnięcia.

Jest ona, jak to zaobserwowaliśmy, równą temperaturze topnienia a także stałą nie ulegającą żadnej zmianie podczas całego procesu krzepnięcia, pomimo tego, że naftalina będąc znacznie cieplejsza od otaczającego ją powietrza, ciągle mu udziela pewnych ilości ciepła. Stała jej temperatura przy krzepieniu pomimo ciągłej utraty ciepła tym się tłumaczy, że naftalina krzepnąc nieustannie  wydziela ciepło (sama staje się jakby źródłem ciepła), w takiej samej ilości, w jakiej dawniej pochłaniała, gdy się topiła. Ciepło to teraz nazywamy ciepłem krzepnięcia.

A więc ciała topnieją i krzepną w tej samej temperaturze. Jakże to jednak być może, że lód i woda (albo naftalina), pierwsze topnieje, a drugie krzepnie w tej samej temperaturze. Zdawałoby się, że w takim razie te dwa zjawiska mogłyby się odbywać jednocześnie, a więc jedno przeszkadzałoby i niweczyło drugie.

Zapominamy jednak o tym, że dla topnienia lub krzepnięcia ciała nie wystarcza je tylko ogrzać do jego punktu topnienia, albo oziębić do temperatury krzepnienia, ale jeszcze koniecznie należy albo dostarczać ciepła, wtedy otrzymamy topnienie ciała, albo je odbierać w takiej samej ilości, wtedy wywołamy jego krzepnienie.

Lód i woda o temperaturze 0 stopni zmieszane z sobą w powietrzu o temperaturze również 0 stopni, będą pozostawały w stanie niezmienionym czas dowolnie długi.

W powietrzu zaś, mającym temperaturę wyższą od zera, lód będzie się topił, ponieważ takie powietrze będzie mogło mu dostarczyć niezbędnego tu ciepła.

Przeciwnie, w powietrzu, mającym temperaturę niższą od zera, woda krzepnąc zacznie, bo otoczenie chłodniejsze zabierać będzie od niej ciepło, bez wydzielania którego woda, nawet mająca temperaturę 0 stopni, nie może stać się ciałem stałym.

Z tego wszystkiego wynika, że istotnie topnienie i krzepniecie ciał może się odbywać w tej samej temperaturze, jednakże pierwsze z nich przy zapewnionym dopływie ciepła z zewnątrz, drugie zaś tylko wtedy, gdy jest możliwy odpływ ciepła.

Zmiana objętości wody przy krzepnieniu

Zdarza się niekiedy, że rury pękają, gdy w zimie zamarznie w nich woda. Dlaczegóż to woda mogła się w nich zmieścić, a dla powstałego tam lodu już za ciasno? Wszak zamiana wody na lód odbywa się w tej samej temperaturze (0 stopni). A więc nie zmiana temperatury wywołuje tu zmianę objętości, jak to poprzednio poznaliśmy w dawniejszych doświadczeniach z nauki o cieple. Stając się ciałem stałem, woda zmienia swą objętość i to nawet znacznie, powiększa ją prawie o całe 9 procent, tak iż np. 100 cm.3 wody o 0 stopni zamienia się na lód o objętości prawie 109 cm.3 i temperaturze także 0 stopni.

Siła, która wywiązać się może przy takim rozszerzaniu, jest olbrzymia i przezwycięża potężne przeszkody. Pomniki kamienne, skały, gdy w szczeliny ich dostanie się woda, pękają potem wskutek jej zamarzania. Dlatego też przewody studzienne, jak również rury wodociągowe, przed nastaniem mrozów zabezpiecza się od ostygnięcia poniżej zera przez otaczanie słomą, trocinami i innymi złymi przewodnikami ciepła.

Przy topnieniu następuje wprost odwrotne zjawisko, tj. kurczenie się. Woda, powstała z lodu, pomimo tej samej temperatury posiada objętość mniejszą (znowuż o te 9%).

Woda zajmuje pewne stanowisko wyjątkowe, ponieważ olbrzymia większość innych ciał, spotykanych w naturze, przeciwnie, kurczy się przy krzepnięciu i rozszerza się przy topnieniu.

Dlaczego naokół siebie, np. w temperaturze pokojowej naszych mieszkań, jedne ciała stale spotykamy w stanie ciekłym, drugie w stałym? Oczywista, tylko dlatego, że temperatura pokojowa (mniej więcej od 15 stopni do 20 stopni) jest dla jednych ciał wyższą od ich temperatury topnienia (a więc woda, rtęć w termometrach, nafta, oliwa, spirytus, gliceryna itd.), dla drugich zaś niższą od tej ich temperatury (np. masło, stearyna, parafina, łój, lak do pieczęci, wosk itp.).

Temperatura płomienia świecy np. jest wyższą od punktu topliwości cyny lub ołowiu, i niższą znacznie od temperatury topnienia żelaza lub miedzi. Przekonamy się o tym, wkładając kolejno do płomienia świecy papierek od czekolady (cyna), lub plombę ołowianą od jakiegokolwiek towaru (ołów), następnie drucik żelazny lub miedziany.