Termodynamika: ciepło i zmiany stanu skupienia

Ciepło właściwe pozwala porównywać ilość energii potrzebnej do ogrzewania różnych substancji. Odnosi się do jednego kilograma i wzrostu temperatury o jeden kelwin. Wzrost temperatury o jeden kelwin jest taki sam jak wzrost o jeden stopień Celsjusza.

Dla wody ciepło właściwe wynosi $4200$ dżuli na kilogram i kelwin, a dla piasku - $800$ dżuli na kilogram i kelwin. Ogrzanie jednakowej masy wody o tyle samo stopni wymaga więc ponad pięć razy więcej energii niż ogrzanie piasku.

Większa masa wymaga większej ilości energii do uzyskania takiego samego wzrostu temperatury. Szybkość ogrzewania zależy również od tego, jak szybko źródło dostarcza energię i jak duże są straty ciepła.

Ciepło przepływa od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Może być przekazywane trzema sposobami.

Metale są dobrymi przewodnikami, a drewno, papier i nieruchome powietrze - izolatorami. Gdy przedmiot ma temperaturę niższą od dłoni, przewodnik szybciej odbiera od niej energię. Dlatego sam dotyk nie pozwala wiarygodnie porównać temperatur różnych materiałów.

Gaz wykorzystuje się jako izolator między szybami okien oraz w drobnych przestrzeniach wełny i materiałów porowatych. Zamknięcie go w małych przestrzeniach ogranicza konwekcję; sama mała przewodność gazu nie wystarcza, gdy może on swobodnie krążyć.

W porównaniu kubków trzeba uwzględniać nie tylko materiał, lecz także grubość ścianek, powierzchnię i pokrywkę. Przy podobnej budowie metalowa ścianka łatwiej odprowadza energię niż papierowa lub ceramiczna, ale woda traci ciepło również przez powierzchnię.

Nazwę przemiany ustala się na podstawie stanu początkowego i stanu końcowego. Przejście może odbywać się między sąsiednimi stanami albo bezpośrednio między stanem stałym i gazowym.

• Ciało stałe przechodzi w ciecz podczas topnienia, a ciecz w ciało stałe podczas krzepnięcia.
• Ciecz przechodzi w gaz podczas parowania, a gaz w ciecz podczas skraplania.
• Bezpośrednie przejście ciała stałego w gaz to sublimacja, a gazu w ciało stałe - resublimacja.

Przemiany wymagające dostarczania ciepła nazywamy endotermicznymi. Są nimi topnienie, parowanie i sublimacja. Przemiany odwrotne są egzotermiczne: substancja oddaje wtedy ciepło otoczeniu.

Oddawanie ciepła podczas krzepnięcia nie oznacza, że temperatura substancji musi przez cały czas maleć. Energia może być przekazywana otoczeniu przy stałej temperaturze samej przemiany.

Czyste substancje krystaliczne topią się i krzepną w określonej temperaturze przy stałym ciśnieniu. Ciała bezpostaciowe stopniowo miękną w zakresie temperatur, dlatego nie przypisuje się im jednej ostrej temperatury topnienia.

Na wykresie temperatury w zależności od czasu ogrzewania odcinek wznoszący oznacza wzrost temperatury. Podczas topnienia czystego ciała krystalicznego pojawia się odcinek poziomy: energia jest nadal pobierana, ale służy przemianie, a nie ogrzewaniu substancji.

Po stopieniu całego ciała dalsze dostarczanie energii ogrzewa już ciecz. Jeżeli ogrzewanie trwa do wrzenia, może pojawić się kolejny poziomy odcinek, tym razem związany z przejściem cieczy w gaz.

Nie każda zmiana stanu skupienia zachodzi w stałej temperaturze. Parowanie powierzchniowe może odbywać się w różnych temperaturach, a ciała bezpostaciowe miękną stopniowo.

Parowanie i wrzenie prowadzą do powstania gazu z cieczy i wymagają dostarczenia energii. Różnią się jednak miejscem zachodzenia oraz warunkami temperaturowymi.

Podczas wrzenia kolejne porcje dostarczanej energii zamieniają ciecz w gaz. Mocniejsze ogrzewanie może zwiększyć tempo tej przemiany bez zwiększania temperatury wrzącej cieczy.

Podczas parowania powierzchniowego energia może pochodzić z samej cieczy lub z otoczenia. Jeśli dopływ energii nie pokrywa jej zużycia, ciecz się ochładza. Parowanie nie wymaga więc ciągłego ogrzewania przez grzałkę.

Szybkość parowania zależy od temperatury, powierzchni cieczy, ruchu powietrza, zawartości pary w otoczeniu oraz rodzaju substancji. Przy porównywaniu wpływu jednego czynnika pozostałe warunki powinny być jednakowe.

• Wyższa temperatura ułatwia cząsteczkom opuszczanie cieczy.
• Większa powierzchnia daje więcej miejsc, z których cząsteczki mogą przechodzić do gazu.
• Ruch powietrza usuwa parę gromadzącą się nad cieczą.
• Mniejsza zawartość pary danej substancji w otoczeniu sprzyja dalszemu parowaniu.

Pytanie o jedną temperaturę, w której woda paruje najszybciej, wymaga doprecyzowania warunków. Przy pozostałych czynnikach niezmienionych wzrost temperatury przyspiesza parowanie, ale nie wyznacza to uniwersalnej temperatury maksymalnej szybkości. Osiągnięcie temperatury wrzenia oznacza ponadto rozpoczęcie przemiany w całej objętości cieczy.