Ciepło przemiany fazowej: topnienie i parowanie

Przemiana fazowa to zmiana stanu skupienia substancji. W tym zestawie najważniejsze są dwie przemiany: topnienie, czyli przejście ze stanu stałego w ciekły, oraz parowanie, czyli przejście ze stanu ciekłego w gazowy. Obie wymagają dostarczenia energii do substancji.

W fizyce szkolnej podkreśla się, że podczas przemiany fazowej energia nie musi powodować wzrostu temperatury. Może zostać zużyta na zmianę wzajemnego ułożenia i oddziaływań między cząsteczkami. Dlatego w czasie topnienia lodu albo wrzenia wody temperatura może być stała, chociaż ciało nadal pobiera energię.

Parowanie należy odróżniać od wrzenia. Parowanie zachodzi z powierzchni cieczy i może występować w różnych temperaturach. Wrzenie jest szczególnym przypadkiem szybkiego parowania i odbywa się w całej objętości cieczy.

Ciepło przemiany fazowej to energia pobrana lub oddana przez substancję podczas zmiany stanu skupienia bez zmiany temperatury. Dla topnienia używamy pojęcia ciepła topnienia właściwego $L_t$, a dla parowania — ciepła parowania właściwego $L_p$.

Jeżeli substancja ma masę $m$, to ilość energii potrzebna do stopienia wynosi:

$$Q=mL_t$$

a do odparowania:

$$Q=mL_p$$

Wielkości $L_t$ i $L_p$ mają jednostkę $\frac{J}{kg}$. Oznacza to, ile energii trzeba dostarczyć, aby zmienić stan skupienia $1\,kg$ danej substancji bez zmiany jej temperatury. Im większa masa, tym większa potrzebna energia — zależność jest wprost proporcjonalna.

Nie wolno mylić tych wzorów ze wzorem na ogrzewanie ciała bez zmiany stanu:

$$Q=mc\Delta T$$

Tu pojawia się ciepło właściwe $c$ i zmiana temperatury $\Delta T$, a nie przemiana fazowa.

W zadaniach trzeba najpierw ustalić, czy ciało tylko zmienia temperaturę, czy także zmienia stan skupienia. Jeśli lód jest już w temperaturze topnienia i ma zamienić się tylko w wodę o tej samej temperaturze, stosujemy wyłącznie wzór $Q=mL_t$. Jeśli woda ma zostać tylko odparowana w temperaturze wrzenia, używamy wzoru $Q=mL_p$.

Często jednak proces składa się z kilku etapów. Na przykład wodę można najpierw ogrzać do temperatury wrzenia, a dopiero potem odparować. Wtedy całkowite ciepło jest sumą energii dla kolejnych etapów:

• ogrzewanie: $Q_1=mc\Delta T$
• parowanie: $Q_2=mL_p$
• razem: $Q=Q_1+Q_2$

Podobnie postępujemy przy lodzie: najpierw można ogrzać lód, potem go stopić, następnie ogrzać wodę. Kluczowa jest umiejętność rozbicia procesu na części i dobrania właściwego wzoru do każdej z nich.

Na wykresie zależności temperatury od czasu albo od dostarczonego ciepła widać różne etapy przemian. Gdy temperatura rośnie, substancja jest ogrzewana bez zmiany stanu skupienia. Gdy pojawia się odcinek poziomy, oznacza to przemianę fazową zachodzącą przy stałej temperaturze.

Dla przykładu, przy ogrzewaniu lodu można zaobserwować kolejno: wzrost temperatury lodu, następnie topnienie przy stałej temperaturze, potem wzrost temperatury wody, a po osiągnięciu temperatury wrzenia — parowanie lub wrzenie przy znów stałej temperaturze.

Na maturze i sprawdzianach często sprawdza się, czy uczeń rozumie, że podczas poziomego odcinka energia nadal jest dostarczana. Nie idzie ona jednak na wzrost temperatury, lecz na zmianę stanu skupienia.

Parowanie spotykamy na co dzień: wysychanie ubrań, znikanie kałuży, ulatnianie się potu z powierzchni skóry. Zjawisko to może zachodzić w temperaturze niższej niż temperatura wrzenia. Im wyższa temperatura cieczy, większa powierzchnia i silniejszy ruch powietrza, tym zwykle szybciej przebiega parowanie.

Częstym błędem jest utożsamianie każdego przejścia cieczy w gaz z wrzeniem. Tymczasem wrzenie to tylko szczególny przypadek parowania, zachodzący w całej objętości cieczy. Innym błędem jest stosowanie wzoru $Q=mc\Delta T$ wtedy, gdy temperatura podczas procesu się nie zmienia.

Warto też pamiętać, że topnienie i parowanie są procesami, w których substancja pobiera energię. Procesy odwrotne — krzepnięcie i skraplanie — wiążą się z oddawaniem energii do otoczenia. Dzięki temu można rozumieć nie tylko obliczenia, ale też zjawiska zachodzące w przyrodzie i technice.