Zmiany stanów skupienia

Materia może występować w trzech podstawowych stanach skupienia: jako ciało stałe, ciecz i gaz. Ta sama substancja może zmieniać swój stan skupienia, gdy zmienia się jej temperatura lub gdy przekazywane jest jej ciepło. Dobrym przykładem jest woda: lód, woda i para wodna to wciąż ta sama substancja.

Zmiana stanu skupienia nie oznacza powstania nowej substancji. Zmienia się tylko postać materii i sposób ułożenia jej cząsteczek. W ciele stałym cząsteczki są ułożone bliżej i trudniej się przemieszczają. W cieczy mogą się przesuwać, a w gazie poruszają się swobodniej i są od siebie znacznie dalej.

Topnienie to zmiana stanu skupienia z ciała stałego w ciecz. Dzieje się tak wtedy, gdy substancja pobiera energię. Na przykład kostka lodu pozostawiona w ciepłym pokoju po pewnym czasie zamienia się w wodę.

Krzepnięcie to proces odwrotny: ciecz zmienia się w ciało stałe. Zachodzi podczas ochładzania, gdy substancja oddaje energię do otoczenia. Przykładem jest zamarzanie wody w zamrażarce.

Dla czystej wody przy normalnym ciśnieniu temperatura topnienia i krzepnięcia wynosi $0^\circ C$. W czasie samego topnienia albo krzepnięcia temperatura czystej substancji pozostaje stała, dopóki cała substancja nie zmieni stanu skupienia.

Parowanie to zmiana stanu skupienia z cieczy w gaz. Może zachodzić w różnych temperaturach i odbywa się z powierzchni cieczy. Dlatego mokra podłoga, kałuża albo pranie mogą wysychać nawet wtedy, gdy woda nie wrze.

Wrzenie jest szczególnym rodzajem parowania. Zachodzi w całej objętości cieczy i pojawiają się wtedy pęcherzyki pary. Dla czystej wody przy normalnym ciśnieniu temperatura wrzenia wynosi $100^\circ C$. Podczas wrzenia temperatura również pozostaje stała aż do zakończenia przemiany.

Skraplanie to zmiana stanu skupienia z gazu w ciecz. Widzimy to na przykład wtedy, gdy para wodna osiada na zimnej szybie, lustrze lub pokrywce garnka i tworzą się kropelki wody.

Sublimacja to przejście z ciała stałego od razu w gaz, bez stanu ciekłego. Niektóre substancje mogą tak się zachowywać w odpowiednich warunkach. Szkolnym przykładem jest suchy lód, który nie topnieje jak zwykły lód, ale „znika”, przechodząc w gaz.

Resublimacja jest procesem odwrotnym. To przejście z gazu od razu w ciało stałe, bez pośredniego powstania cieczy. Przykładem jest szron, który może tworzyć się z pary wodnej na bardzo zimnych powierzchniach.

Te dwa procesy są rzadsze w codziennych obserwacjach niż topnienie czy parowanie, ale także należą do podstawowych zmian stanów skupienia.

Aby zaszła zmiana stanu skupienia, substancja zwykle musi pobrać energię albo oddać energię. Przy topnieniu, parowaniu i sublimacji substancja pobiera energię z otoczenia. Przy krzepnięciu, skraplaniu i resublimacji oddaje energię do otoczenia.

Trzeba odróżniać temperaturę od ciepła. Temperatura mówi, jak bardzo ciało jest nagrzane, a ciepło to energia przekazywana między ciałami o różnych temperaturach. Ciepło płynie od ciała cieplejszego do chłodniejszego, aż do osiągnięcia równowagi termicznej.

W czasie zmiany stanu skupienia dostarczana lub oddawana energia nie zawsze zmienia temperaturę. Często jest ona wykorzystywana właśnie na samą przemianę stanu skupienia.

W zadaniach i doświadczeniach warto najpierw ustalić, jaki był stan początkowy i jaki jest stan końcowy substancji.

• stałe → ciecz to topnienie
• ciecz → stałe to krzepnięcie
• ciecz → gaz to parowanie
• gaz → ciecz to skraplanie
• stałe → gaz to sublimacja
• gaz → stałe to resublimacja

W życiu codziennym łatwo znaleźć przykłady tych zjawisk. Topnieje lód w napoju, krzepnie woda w zamrażarce, paruje mokre pranie, skrapla się para na szybie, a szron na mrozie pokazuje resublimację. Dzięki takim przykładom łatwiej zapamiętać nazwy i kierunek każdej przemiany.