Back to the topics list

promjena stanja materije

Postoje tri stanja/faze materije, naime čvrsto, tekuće i plinovito. Ista tvar može postojati u sve tri faze pod različitim uvjetima temperature i tlaka. Na primjer, led (krutina) na 0° kada se zagrijava postaje voda (tekućina) na 0°C, koja se daljnjim zagrijavanjem pretvara u paru (plin) na 100°C. Tako se pri jednom atmosferskom tlaku voda nalazi u sve tri faze na različitim temperaturama.

Proces prijelaza iz jednog stanja u drugo pri konstantnoj temperaturi naziva se promjena faze . Donosi se zbog izmjene topline.
Promjena iz krute u tekuću fazu poznata je kao taljenje , dok se preokret iz tekuće u krutu fazu naziva smrzavanje. Promjena iz tekućine u paru poznata je kao isparavanje, dok se obratna promjena iz plina u tekućinu naziva kondenzacija (ili ukapljivanje). Izravna promjena iz krutine u paru naziva se sublimacija , a obrnuta promjena iz pare u krutinu naziva se taloženje.

TALENJE I SMRZAVANJE

Promjena krute u tekuću fazu apsorpcijom topline pri konstantnoj temperaturi naziva se taljenje. The konstantna temperatura na kojoj krutina prelazi u tekućinu naziva se talištem krutine. Obrnuti prijelaz iz tekuće u krutu fazu s oslobađanjem topline pri konstantnoj temperaturi naziva se smrzavanje, a temperatura na kojoj se tekućina smrzava u krutinu naziva se ledištem. Toplinska energija se apsorbira tijekom taljenja, a odbacuje tijekom smrzavanja pri konstantnoj temperaturi.

Krivulja zagrijavanja leda tijekom topljenja

Pogledajte gornji grafikon. Temperatura leda ostaje konstantna jednaka 0 °C u dijelu AB dok se cijeli led ne otopi. Toplina dovedena za to vrijeme koristi se za topljenje leda. Nakon toga temperatura vode nastale topljenjem leda počinje rasti od 0 °C (dio prije Krista).

ISPARIVANJE ILI KUHANJE

Promjena iz tekuće u plinovitu (ili parnu) fazu uslijed apsorpcije topline pri konstantnoj temperaturi naziva se isparavanje. Određena temperatura na kojoj dolazi do isparavanja naziva se vrelište tekućine. Slično, promjena iz parne u tekuću fazu pri oslobađanju topline pri konstantnoj temperaturi naziva se kondenzacija, a određena temperatura na kojoj dolazi do kondenzacije naziva se točka kondenzacije pare.
Toplinska energija se apsorbira pri konstantnoj temperaturi tijekom isparavanja, dok se ista količina toplinske energije oslobađa tijekom kondenzacije na toj temperaturi za istu masu tvari.

Krivulja zagrijavanja vode

U točki A voda ima sobnu temperaturu (20°C) i tada uz apsorpciju toplinske energije temperatura vode kontinuirano raste u dijelu AB gdje je u tekućem stanju. U točki B počinje vrenje i temperatura ne raste dalje u dijelu BC, toplinska energija se kontinuirano apsorbira i predstavlja vrenje vode, pri čemu je B kao vrelište vode.

Zašto dodajemo sol dok kuhamo mahunarke? To se temelji na činjenici da dodavanje nečistoća povećava vrelište vode. Sol dodajemo tijekom kuhanja mahunarki, voda tada daje dovoljno toplinske energije svom sadržaju prije vrenja i tako kuhanje postaje lakše i brže. Zašto kuhanje hrane u brdima traje duže nego u ravnici? To se temelji na činjenici da se vrelište smanjuje s padom tlaka. Na velikim nadmorskim visinama kao što su brda ili planine, atmosferski tlak je nizak, stoga na tim mjestima voda ključa na temperaturi nižoj od 100 °C i tako ne daje potrebnu toplinsku energiju svom sadržaju za kuhanje. Stoga kuhanje na takvim mjestima traje puno duže.

LATENTNA TOPLINA I SPECIFIČNA LATENTNA TOPLINA

Tijekom promjene faze tvari koja se odvija pri konstantnoj temperaturi apsorbira se ili oslobađa znatna količina toplinske energije.   Budući da se toplinska energija apsorbirana ili oslobođena u promjeni faze izvana ne očituje nikakvim porastom ili padom temperature, naziva se latentna toplina.
Latentna toplina, kada se izražava jedinicom mase tvari, naziva se specifična latentna toplina i označava se simbolom L.

SI jedinica specifične latentne topline je J kg ^-1 , ostale uobičajene jedinice su cal g ^-1 .
1 cal g ^-1 = 4,2 × 10 ³ J kg ^-1

Toplina taljenja je toplinska energija koja se mora povući da bi se skrutila određena masa ili količina tekućine ili dodati da se tali određena masa ili količina krutine. Također se naziva latentna toplina taljenja. Latentna toplina isparavanja je toplina potrošena ili otpuštena kada se materija raspada, mijenjajući stanje iz tekućeg u plinovito stanje na konstantnoj temperaturi.
Specifična latentna toplina taljenja leda je toplinska energija potrebna za topljenje jedinice mase leda na 0 °C u vodu na 0 °C bez ikakve promjene temperature. Specifična latentna toplina smrzavanja leda je toplinska energija koja se oslobađa/otpušta kada se jedinica mase vode na 0 °C smrzne u led na 0 °C bez ikakve promjene temperature. Za led, specifična latentna toplina taljenja je 336000 J kg ^-1 , što znači da 1 kg leda na 0 °C apsorbira 336000 J toplinske energije da bi se pretvorio u vodu na 0 °C. Za isparavanje, to je količina topline (540 cal g ⁻¹ ) za koju se očekuje da će se promijeniti preko 1 g vode u 1 g vodene pare. Slična mjera topline oslobađa se u pomaku stupnja tijekom nakupljanja 1 g vodene pare na 1 g vode.

Objašnjenje latentne topline taljenja na temelju kinetičkog modela
Prema kinetičkom modelu, molekule u čvrstom tijelu vibriraju oko svog srednjeg položaja. Ukupna energija molekule zbroj je kinetičke energije (koja ovisi o temperaturi) uzrokovane njezinim gibanjem i njezine potencijalne energije (koja ovisi o sili privlačenja između molekula i međusobnom razdvajanju). Kada krutina prijeđe u tekućinu bez promjene temperature, prosječna kinetika molekula se ne mijenja, ali se razmak između molekula u prosjeku povećava. Nešto energije je potrebno za povećanje razmaka protiv privlačnih sila između molekula (tj. za povećanje potencijalne energije molekula). Stoga se toplinska energija dovedena tijekom taljenja koristi samo za povećanje potencijalne energije molekula i naziva se latentna toplina taljenja.

Primjeri

• Snijeg na planinama ne otopi se odjednom: razlog je taj što led ima visoku specifičnu latentnu toplinu taljenja (336000 J kg ^-1 ). Polako se pretvara u vodu jer dobiva toplinsku energiju od sunca. Da je latentna toplina bila niska, sav snijeg bi se otopio u kratkom vremenu dobivanjem topline od sunca i došlo bi do poplava u rijekama.
• U hladnim zemljama voda u jezerima i ribnjacima ne smrzava se odjednom: razlog je taj što je specifična latentna toplina taljenja leda dovoljno visoka, zbog čega će voda u jezerima i ribnjacima morati osloboditi veliku količinu topline da bi okolinu prije smrzavanja. Sloj leda koji se formira na površini vode, jer je loš vodič topline, također će spriječiti gubitak topline iz vode u jezeru, stoga se ne zamrzava odjednom.
• Piće se brže hladi dodavanjem komadića leda nego ledeno hladna voda na 0 °C: To je zato što 1 gram leda na 0 °C uzima 336 J toplinske energije iz pića da se otopi u vodi na 0 °C C. Ova pića oslobađaju dodatnih 336 J toplinske energije na 1 gram leda na 0 °C, nego na 1 gram ledeno hladne vode na 0 °C.

• Znojenje uzrokuje hlađenje: znojenje je tjelesna funkcija koja spašava život i pomaže u regulaciji tjelesne temperature. Kada je vrijeme vruće ili vam tjelesna temperatura poraste zbog vježbanja ili groznice, znoj se oslobađa kroz kanale u vašoj koži. Sadrži 90% vode. Kapljice znoja prisutne na vašem tijelu iskorištavaju toplinu tijela za fazni prijelaz iz tekućine u paru. To rezultira učinkom hlađenja koji pomaže u održavanju tjelesne temperature i hladi tijelo.
• Uvijek budite oprezni dok otvarate poklopac lonca dok voda u njemu kipi: voda ima veliku specifičnu latentnu toplinu isparavanja. Kada se para kondenzira na koži vaše ruke, oslobađa se velika količina latentne topline koja uzrokuje ozbiljne opekline.

Pitanje 1: Koliko je toplinske energije potrebno da se otopi 10 kg leda? (Specifična latentna toplina leda = 336 J g ^-1 )
Rješenje: m = 10 kg, L = 336 J g ^-1
Potrebna toplinska energija = mL = 10000 × 336 = 3360000 J

Pitanje 2: Temperatura 250 grama vode na 40 °C snižava se na 0 °C dodavanjem leda. Odredi masu dodanog leda. (Specifična latentna toplina leda je 336 J g ^-1 , a specifični toplinski kapacitet vode je 4,2 J g ^-1 K ^-1 )
Rješenje: Toplinska energija izgubljena vodom = toplinska energija dobivena ledom
Pad temperature je 40 − 0 = 40 °C.
Toplina izgubljena vodom = m⋅c⋅Δt = 250 × 4,2 × 40 = 42000 J
Toplina dobivena ledom = 42000 = masa leda × 336 ⇒ masa leda = 42000 ∕ 336 = 125 g

Pitanje 3: 10125J toplinske energije isparava 4,5 g vode na 100°c u paru na 100°c, pronađite latentnu toplinu pare u SI jedinicama.
Rješenje: Latentna toplina pare L = 10125 J ∕ (4,5 × 10 ^-3 ) kg = 2250 × 10 ³ J∕ kg