Zmiany stanu skupienia - topnienie, parowanie - Spotkania z fizyką 7

1.Stany skupienia

Substancje mogą występować w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. Ta sama substancja może być w każdym z nich, zależnie od warunków zewnętrznych, m.in. temperatury - np. lód, woda i para wodna to ta sama substancja.

2.Gęstość substancji w różnych stanach skupienia

Gęstość większości substancji w stanie ciekłym jest mniejsza niż w stanie stałym, bo przy topnieniu ich objętość nieco rośnie (wyjątkiem jest np. woda). W gazach cząsteczki są od siebie znacznie bardziej oddalone, dlatego gazy mają znacznie mniejsze gęstości niż ciecze i ciała stałe.

3.Zmiany stanów skupienia ciał

Topnienie (ciało stałe → ciecz), krzepnięcie (ciecz → ciało stałe), parowanie (ciecz → gaz), skraplanie (gaz → ciecz), sublimacja (ciało stałe → gaz) i resublimacja (gaz → ciało stałe).

4.Topnienie

Zmiana stanu skupienia ze stałego w ciekły. Przykłady: wiosną topnieje śnieg, w upalny dzień topnieją lody, a podczas lutowania topnieje cyna.

5.Krzepnięcie

Zjawisko odwrotne do topnienia: zmiana stanu skupienia z ciekłego w stały. Przykład: zamarzanie wody w kałuży.

6.Parowanie

Przejście substancji ze stanu ciekłego w stan gazowy. Przykłady: wysychanie kałuży na chodniku, schnięcie prania rozwieszonego na sznurze.

7.Skraplanie

Zjawisko odwrotne do parowania: przejście substancji ze stanu gazowego w stan ciekły. Aby gaz się skroplił, trzeba go oziębić. Przykład: para wodna skrapla się na zimnych okularach, gdy zimą wchodzimy do ciepłego pomieszczenia.

8.Sublimacja

Przejście substancji ze stanu stałego bezpośrednio w gazowy, z pominięciem stanu ciekłego. Przykłady: pranie wysycha na mrozie (woda w tkaninie najpierw zamarza, a potem sublimuje), pokrywa śnieżna powoli znika podczas mrozu bez opadów.

9.Resublimacja

Przejście substancji ze stanu gazowego bezpośrednio w stały, z pominięciem stanu ciekłego. Przykład: powstawanie szronu - przy gwałtownym spadku temperatury para wodna z powietrza zamienia się w drobne kryształki lodu, najczęściej w mroźne, pogodne noce.

10.Obserwacja zmian stanu skupienia wody (doświadczenie)

Ogrzewamy kostki lodu w małym garnku i trzymamy nad nim zimną szybkę. Lód topnieje, potem woda wrze i jej ubywa, bo paruje, a na szybce pojawiają się krople - niewidoczna para wodna skrapla się. Wniosek: lód, woda i para wodna to ta sama substancja w trzech stanach skupienia.

11.Temperatura topnienia kryształów

Stała temperatura, w której topnieje substancja krystaliczna, np. lód. Jest różna dla różnych substancji i jest jedną z ich cech charakterystycznych. Lód topnieje w temperaturze $0\,^\circ\mathrm{C}$, czyli $273~\mathrm{K}$.

12.Topnienie lodu i masła - doświadczenie z termometrem

Termometr wkładamy do pokruszonego lodu, a potem do masła ogrzewanego w naczyniu z gorącą wodą. Podczas topnienia lodu termometr cały czas wskazuje około $0\,^\circ\mathrm{C}$, a temperatura rośnie dopiero, gdy stopnieje ostatni kawałek lodu. Masło stopniowo mięknie, a jego temperatura cały czas rośnie - nie widać wyraźnej granicy między stanem stałym a ciekłym.

13.Wykres temperatury od czasu przy topnieniu lodu

Linia łamana: najpierw rośnie (lód się ogrzewa), potem ma odcinek poziomy - trwa topnienie i temperatura się nie zmienia, choć wciąż dostarczamy ciepło - a po stopnieniu całego lodu znowu rośnie (ogrzewa się woda).

14.Kryształy i ciała bezpostaciowe

Kryształy to ciała o regularnie uporządkowanym układzie atomów lub cząsteczek (np. metale, lód) - topnieją w stałej temperaturze. Ciała bezpostaciowe (amorficzne) mają atomy lub cząsteczki ułożone chaotycznie (np. szkło, guma, parafina) - nie mają dokładnie określonej temperatury topnienia.

15.Temperatura krzepnięcia kryształów

Temperatura, w której ciecz krzepnie. Dla kryształów jest równa temperaturze topnienia - np. woda zamarza w stałej temperaturze $0\,^\circ\mathrm{C}$, a temperatura lodu spada dalej dopiero po całkowitym zamarznięciu wody.

16.Na co zużywane jest ciepło podczas topnienia?

Podczas topnienia substancja pobiera ciepło, ale jej temperatura się nie zmienia. Pobrane ciepło jest zużywane na rozerwanie sieci krystalicznej: przyciągające się cząsteczki muszą się od siebie oddalić, więc rośnie ich wzajemna energia potencjalna, a z nią energia wewnętrzna.

17.Ciepło podczas krzepnięcia

Krzepnąc, ciało oddaje ciepło. Ilość ciepła oddanego podczas krzepnięcia jest taka sama jak ilość ciepła pobranego w procesie topnienia.

18.Temperatura i ciepło podczas sublimacji

Podczas sublimacji ciało pobiera ciepło, a podczas resublimacji je oddaje. Tak jak przy topnieniu i krzepnięciu, to ciepło nie powoduje zmiany temperatury ciała.

19.Gdzie zachodzi parowanie?

Parowanie zachodzi w każdej temperaturze, w której substancja jest cieczą. Poniżej temperatury wrzenia zachodzi tylko na powierzchni swobodnej cieczy. Im wyższa temperatura, tym szybciej przebiega.

20.Powierzchnia swobodna cieczy a parowanie

Ciecz paruje przez swoją powierzchnię swobodną (górną powierzchnię, która styka się z powietrzem). Im większa ta powierzchnia, tym szybciej ciecz paruje - ta sama ilość wody szybciej wyparuje z szerokiego garnka niż z wąskiej szklanki, a pranie schnie szybciej, gdy je szeroko rozwiesimy.

21.Czynniki wpływające na szybkość parowania

Od rodzaju cieczy; od temperatury - im wyższa, tym szybciej ciecz paruje; od ruchu powietrza wokół cieczy - im większy, tym szybciej; od wielkości powierzchni swobodnej - im większa, tym szybciej; od wilgotności powietrza - im większa, tym wolniej.

22.Badanie szybkości parowania (doświadczenie z bibułą)

Kropla denaturatu na pasku bibuły wysycha szybciej niż kropla wody (rodzaj cieczy). Pasek, którym wachlujemy, schnie szybciej niż leżący (ruch powietrza). Kropla rozprowadzona po szybce znika szybciej niż zwykła kropla (powierzchnia). Z gorącej wody w szklance po kilku godzinach ubywa więcej niż z zimnej (temperatura).

23.Wilgotność powietrza

Ilość pary wodnej zawartej w powietrzu; mierzy się ją higrometrem. Duża wilgotność nie sprzyja parowaniu - dlatego w krajach tropikalnych, gdzie powietrze jest bardzo wilgotne, mokre ubrania schną bardzo długo.

24.Wrzenie

Gwałtowne parowanie cieczy odbywające się w całej jej objętości - pęcherzyki pary powstają w całej cieczy i wypływają na powierzchnię.

25.Obserwacja wrzenia wody (doświadczenie)

Ogrzewamy wodę z termometrem. Najpierw uciekają z niej pęcherzyki rozpuszczonego powietrza. Powyżej $80\,^\circ\mathrm{C}$ na dnie i ściankach tworzą się pęcherzyki z parą wodną, które wędrują w górę. Przy $100\,^\circ\mathrm{C}$ woda bulgocze - pęcherzyki pary powstają w całej objętości, a temperatura mimo dalszego ogrzewania już nie rośnie.

26.Temperatura wrzenia cieczy

Temperatura, w której ciecz wrze. Każda ciecz ma charakterystyczną dla siebie temperaturę wrzenia. Pod ciśnieniem atmosferycznym $1013~\mathrm{hPa}$ woda wrze w $100\,^\circ\mathrm{C}$, a alkohol etylowy w $78{,}3\,^\circ\mathrm{C}$.

27.Dlaczego temperatura wrzącej cieczy nie rośnie?

Temperatura wrzącej cieczy nie wzrasta, dopóki cała ciecz nie zamieni się w parę. Dostarczana energia jest zużywana na pokonanie oddziaływań międzycząsteczkowych, czyli na zerwanie wiązań między cząsteczkami cieczy, a nie na wzrost temperatury.

28.Różnica między parowaniem a wrzeniem

Parowanie zachodzi w każdej temperaturze, w której substancja jest cieczą, i (poniżej temperatury wrzenia) tylko na powierzchni swobodnej. Wrzenie zachodzi w temperaturze wrzenia i w całej objętości cieczy - jest gwałtownym parowaniem.

29.Zmiana stanu skupienia azotu i cyny

Nie tylko woda może występować w trzech stanach skupienia. Azot (składnik powietrza) jest gazem, ale oziębiony do $-195{,}8\,^\circ\mathrm{C}$ skrapla się i staje się cieczą. Cyna jest ciałem stałym, ale w temperaturze $232\,^\circ\mathrm{C}$ topnieje i staje się cieczą.

30.Oddawanie ciepła przez skraplającą się parę

Parująca ciecz pobiera ciepło. Skraplająca się para oddaje ciepło: jej cząsteczki uderzają w kroplę, oddają energię pobraną przy parowaniu i zostają w kropli. Temperatura w czasie skraplania się nie zmienia. Ilość ciepła oddanego przy skraplaniu jest taka sama jak ilość ciepła pobranego przy parowaniu w takiej samej temperaturze.

31.Mgiełka nad czajnikiem z gotującą się wodą

Para wodna jest niewidoczna. Biała mgiełka nad czajnikiem albo garnkiem z gotującą się wodą to nie para, tylko drobne kropelki wody skroplonej w powietrzu.

32.Tabela temperatur topnienia i wrzenia - jak odczytać stan skupienia?

Porównujemy temperaturę substancji z jej temperaturą topnienia i wrzenia (pod ciśnieniem $1013~\mathrm{hPa}$). Poniżej temperatury topnienia substancja jest ciałem stałym, między temperaturą topnienia a temperaturą wrzenia - cieczą, a powyżej temperatury wrzenia - gazem. Np. rtęć (topnienie $-38{,}8\,^\circ\mathrm{C}$, wrzenie $356{,}9\,^\circ\mathrm{C}$) w temperaturze pokojowej jest cieczą.

33.Temperatury topnienia metali: cyna, ołów, glin, miedź, żelazo

Pod ciśnieniem $1013~\mathrm{hPa}$: cyna $232\,^\circ\mathrm{C}$, ołów $328\,^\circ\mathrm{C}$, glin $660\,^\circ\mathrm{C}$, miedź $1085\,^\circ\mathrm{C}$, żelazo $1536\,^\circ\mathrm{C}$. Metal o niższej temperaturze topnienia można stopić w naczyniu z metalu, który topi się w wyższej temperaturze.

34.Temperatury wrzenia: alkohol, benzen, woda, gliceryna, rtęć

Pod ciśnieniem $1013~\mathrm{hPa}$: alkohol etylowy $78{,}3\,^\circ\mathrm{C}$, benzen $80{,}2\,^\circ\mathrm{C}$, woda $100\,^\circ\mathrm{C}$, gliceryna $291\,^\circ\mathrm{C}$, rtęć $356{,}9\,^\circ\mathrm{C}$. Ciecz, która wrze poniżej $100\,^\circ\mathrm{C}$ (np. alkohol), nie nadaje się do termometru mierzącego temperaturę wrzącej wody.

35.Pobieranie i oddawanie ciepła przy zmianach stanu skupienia

Ciało pobiera ciepło podczas topnienia, parowania i sublimacji, a oddaje je podczas krzepnięcia, skraplania i resublimacji. Podczas topnienia substancji krystalicznej i podczas wrzenia temperatura się nie zmienia, choć ciepło jest wciąż dostarczane.