Miért változik az anyagok halmazállapota, ha a benne lévő részecskék sebessége változik?

Egy (szobahőmérsékleten, normál légköri nyomáson) szilárd anyag részecskéi között kölcsönhatás van, vonzzák egymást. A részecskék rezegnek, de a mozgási energiájuk kisebb, mint a részecskék közötti vonzás energiája, ezért a kötésekből nem tudnak kitörni.

Ha a részecskékkel energiát közlünk, akkor nő a mozgási energiájuk. Ha a mozgási energia nagyobb lesz, mint a kötési energia, akkor a részecskék elég távol kerülhetnek azoktól a részecskéktől, aminek a kötésében voltak. A halmazon belül viszont minden irányban egymást vonzó részecskék vannak, ezért bár kötések felszakadnak, de újak is keletkeznek. Ez a folyadék halmazállapot, a részecskék szabadon mozognak, de a felületi feszültség még egyben tartja a halmazt, a részecskék a folyadék belseje felé igyekeznek, a halmaz térfogata minimális.

Ha további energiát közlünk az anyaggal, akkor a részecskék mozgási energiája a felületi feszültséget is legyőzik, és akkor a részecskék szétrepülnek, amerre látnak, ez a gáz halmazállapot.

A hőmérséklet fogalmát kell először tisztázni, mert egy olyan mennyiség, aminek atomi szinten nincsen értelme. A hőmérséklet az, amit a hőmérő mér. Atomi szinten a nagyobb hőmérsékletű anyag részecskéi átlagosan gyorsabban, nagyobb erővel mozognak, de a részecskékre értelmezhetetlen a hőmérséklet fogalma.

A hő kétféle módon terjed:

Sugárzással: ekkor az energiát foton közvetíti. A megfelelő hullámhosszú foton eltalálja a részecskét, elnyelődik és mozgási energia átmeneteket gerjeszt (pl. mikrohullám és vízmolekula esete)

Érintkezéssel: különböző hőmérsékletű anyagok fizikailag érintkeznek, a különböző sebességű részecskék közvetlenül ütköznek, az ütközés megváltoztatja a részecskék mozgási energiáját.

Plusz még egy hőterjedési mód, amikor a gyorsan rezgő részecske nem ütközik más részecskével, hanem önmaga változtat helyzetet. Gyakorlatilag arrébbviszi a térben a rezgést, nem adja azt át más részecskének. Ez nagyjából annyit takar, mikor a szalonnasütés közben a tűznél felmelegített féltéglát áthajítod a szomszédba. Ezt konvekciós hőterjedésnek nevezzük, mert a féltéglával együtt az általa eltárolt hőt is átjuttatod a szomszédod udvarába.

Az előző két hőterjedési mód neve sorban radiáció és konvekció. A radiációra jó példa a már említett mikrohullámú sütő, vagy a napfény és a hősugárzó is. Ilyenkor közvetlen kapcsolat nem jön létre az anyagok között, hanem a hőt elektromágneses hullámok (fotonok) útján közvetítik. A Nap sincs közvetlen kapcsolatban a Földdel, mégis fel tudja melegíteni.

Konvekció bármelyik halmazállapotban lehetséges, ezt tapasztalod akkor, mikor a radiátorcsövet megfogod, és meleg a benne keringő forró víztől. Ekkor a víz molekulái keringés közben beleütköznek a radiátorcső anyagát alkotó vasatomokba, és közvetlenül átadják azoknak a hőt (rezgést). Konvekciós hőterjedési jelenség az is, amikor a csillagszórót meggyújtod, és az általad fogott vége felmelegszik (végigfut a csillagszóró szárán a hő, elvezeti az égő ponttól a vasszál a kezedig a hőt).

Radiátornál egyébként mindhárom hőterjedési mód kiválóan megfigyelhető: kondukciós hőterjedés az, amikor a tűztérben felmelegített víz végigfolyik a csöveken, eljut a kazántól a radiátorig, eljuttatva a tűztérből a hőt a szobába a keringő víz útján. Konvekciós hőterjedés az, amikor a radiátorcsőben lévő forró víz felmelegíti a radiátorcsövet és magát a radiátort. Radiációs (sugárzási) hőterjedés pedig az, amikor a radiátortól fél méterre ülve is süti a hátadat.