Back to the topics list

zmiana stanu rzeczy

Istnieją trzy stany / fazy materii, a mianowicie stały, ciekły i gazowy. Ta sama materia może istnieć we wszystkich trzech fazach w różnych warunkach temperatury i ciśnienia. Na przykład lód (ciało stałe) w temperaturze 0° po podgrzaniu staje się wodą (cieczą) w temperaturze 0°C, która przy dalszym ogrzewaniu zmienia się w parę (gaz) w temperaturze 100°C. Tak więc przy jednym ciśnieniu atmosferycznym woda znajduje się we wszystkich trzech fazach w różnych temperaturach.

Proces przejścia z jednego stanu w drugi w stałej temperaturze nazywa się przemianą fazową . Jest to spowodowane wymianą ciepła.
Przemiana z fazy stałej w ciekłą nazywana jest topnieniem , natomiast odwrotna przemiana z fazy ciekłej w stałą nazywana jest zamarzaniem. Przemiana z cieczy w parę nazywana jest parowaniem, natomiast odwrotna przemiana z gazu w ciecz nazywana jest kondensacją (lub upłynnieniem). Bezpośrednia przemiana z ciała stałego w parę nazywana jest sublimacją , a odwrotna przemiana z pary w ciało stałe nazywana jest osadzeniem.

ROZTAPIANIE I ZAMRAŻANIE

Przemiana fazy stałej w ciekłą w wyniku absorpcji ciepła w stałej temperaturze nazywa się topnieniem. The stałą temperaturę, w której ciało stałe przechodzi w ciecz, nazywamy temperaturą topnienia ciała stałego. Odwrotna przemiana z fazy ciekłej w stałą z wydzieleniem ciepła w stałej temperaturze nazywana jest zamarzaniem, a temperatura, w której ciecz zamarza do stanu stałego, nazywana jest jej temperaturą zamarzania. Energia cieplna jest pochłaniana podczas topienia i jest odrzucana podczas zamrażania w stałej temperaturze.

Krzywa grzania lodu podczas topnienia

Spójrz na wykres powyżej. Temperatura lodu pozostaje stała i równa 0°C w części AB, aż cały lód się roztopi. Ciepło dostarczone w tym czasie jest wykorzystywane do stopienia lodu. Następnie temperatura wody utworzonej przez topniejący lód zaczyna rosnąć od 0 ° C (część przed naszą erą).

PAROWANIA LUB WRZEWANIA

Przejście z fazy ciekłej do gazowej (lub pary) po absorpcji ciepła w stałej temperaturze nazywa się parowaniem. Określona temperatura, w której zachodzi parowanie, nazywana jest temperaturą wrzenia cieczy. Podobnie przemiana z fazy gazowej w ciekłą po uwolnieniu ciepła w stałej temperaturze nazywana jest kondensacją, a konkretna temperatura, w której następuje kondensacja, nazywana jest punktem skraplania pary.
Energia cieplna jest pochłaniana w stałej temperaturze podczas parowania, podczas gdy taka sama ilość energii cieplnej jest uwalniana podczas skraplania w tej temperaturze dla tej samej masy substancji.

Krzywa grzania wody

W punkcie A woda ma temperaturę pokojową (20°C), a następnie wraz z pochłanianiem energii cieplnej temperatura wody w części AB, w której znajduje się ona w stanie ciekłym, stale rośnie. W punkcie B rozpoczyna się wrzenie i temperatura nie wzrasta dalej w części BC, energia cieplna jest stale pochłaniana i reprezentuje wrzenie wody, przy czym B jest temperaturą wrzenia wody.

Dlaczego dodajemy sól podczas gotowania roślin strączkowych? Opiera się to na fakcie, że dodanie zanieczyszczeń zwiększa temperaturę wrzenia wody. Dodajemy sól podczas gotowania roślin strączkowych, dzięki czemu woda zapewnia jej zawartości wystarczającą ilość energii cieplnej przed zagotowaniem, dzięki czemu gotowanie staje się łatwiejsze i szybsze. Dlaczego gotowanie trwa dłużej na wzgórzach niż na równinach? Opiera się to na fakcie, że temperatura wrzenia spada wraz ze spadkiem ciśnienia. Na dużych wysokościach, takich jak wzgórza lub góry, ciśnienie atmosferyczne jest niskie, dlatego w tych miejscach woda wrze w temperaturze niższej niż 100 °C, a więc nie dostarcza swojej zawartości energii cieplnej wymaganej do gotowania. Dlatego gotowanie w takich miejscach trwa znacznie dłużej.

CIEPŁO UTAJONE I CIEPŁO UTAJONE SPECYFICZNE

Podczas przemiany fazowej substancji zachodzącej w stałej temperaturze następuje pochłonięcie lub uwolnienie znacznej ilości energii cieplnej.   Ponieważ energia cieplna pochłonięta lub uwolniona podczas przemiany fazowej nie przejawia się na zewnątrz żadnym wzrostem lub spadkiem temperatury, nazywa się ją ciepłem utajonym.
Ciepło utajone, wyrażone dla masy jednostkowej substancji, nazywane jest ciepłem utajonym właściwym i oznaczane symbolem L.

Jednostką ciepła właściwego utajonego w układzie SI jest J kg ^-1 , inne powszechnie stosowane jednostki to cal g ^-1 .
1 cal g ^-1 = 4,2 × 10 ³ J kg ^-1

Ciepło topnienia to energia cieplna, która musi zostać pobrana w celu zestalenia określonej masy lub ilości płynu lub dodana w celu stopienia określonej masy lub ilości ciała stałego. Nazywa się to również utajonym ciepłem topnienia. Ciepło utajone parowania to ciepło zużywane lub odprowadzane, gdy materia rozpada się, zmieniając stan z płynnego na gazowy w stałej temperaturze.
Ciepło utajone właściwe topnienia lodu to energia cieplna potrzebna do stopienia masy jednostkowej lodu o temperaturze 0 °C do wody o temperaturze 0 °C bez jakiejkolwiek zmiany temperatury. Ciepło utajone właściwe zamarzania lodu to energia cieplna uwalniana/uwalniana, gdy jednostka masy wody o temperaturze 0 °C zamarza do postaci lodu w temperaturze 0 °C bez jakiejkolwiek zmiany temperatury. Dla lodu, utajone ciepło właściwe topnienia wynosi 336 000 J·kg ^-1 , co oznacza, że 1 kg lodu o temperaturze 0 °C pochłania 336000 J energii cieplnej, aby przekształcić ją w wodę o temperaturze 0 °C. W przypadku parowania jest to ilość ciepła (540 cal g ^-1 ), która powinna zostać zamieniona przez 1 g wody na 1 g oparów wody. Podobna ilość ciepła jest uwalniana podczas ruchu etapowego podczas gromadzenia się 1 g oparów wody w 1 g wody.

Wyjaśnienie utajonego ciepła topnienia na podstawie modelu kinetycznego
Zgodnie z modelem kinetycznym cząsteczki ciała stałego wibrują wokół swojego średniego położenia. Całkowita energia cząsteczki jest sumą energii kinetycznej (która zależy od temperatury) wywołanej jej ruchem i jej energii potencjalnej (która zależy od siły przyciągania między cząsteczkami i odległości między nimi). Kiedy ciało stałe zmienia się w ciecz bez zmiany temperatury, średnia kinetyka cząsteczek nie zmienia się, ale średnio zwiększa się separacja między cząsteczkami. Pewna energia jest potrzebna do zwiększenia separacji wbrew siłom przyciągania między cząsteczkami (tj. do wzrostu energii potencjalnej cząsteczek). Tak więc energia cieplna dostarczana podczas topienia jest wykorzystywana tylko do zwiększania energii potencjalnej cząsteczek i nazywana jest utajonym ciepłem topnienia.

Przykłady

• Śnieg w górach nie topi się od razu: Powodem jest to, że lód ma wysokie utajone ciepło właściwe topnienia (336000 J kg ^-1 ). Zmienia się powoli w wodę, gdy pobiera energię cieplną ze słońca. Gdyby ciepło utajone było niskie, cały śnieg stopiłby się w krótkim czasie pod wpływem ciepła słonecznego i doszłoby do powodzi w rzekach.
• W zimnych krajach woda w jeziorach i stawach nie zamarza od razu: Powodem jest to, że utajone ciepło właściwe topnienia lodu jest wystarczająco wysokie, przez co woda w jeziorach i stawach będzie musiała uwolnić dużą ilość ciepła, aby otoczenie przed zamarznięciem. Warstwa lodu utworzona na powierzchni wody, która jest słabym przewodnikiem ciepła, zapobiegnie również utracie ciepła z wody jeziora, dzięki czemu nie zamarznie od razu.
• Napoje schładzają się szybciej po dodaniu kawałka lodu niż lodowatej wody o temperaturze 0°C: dzieje się tak, ponieważ 1 gram lodu o temperaturze 0°C wymaga 336 J energii cieplnej z napoju, aby stopić się z wodą o temperaturze 0° C. W ten sposób napoje uwalniają dodatkowe 336 J energii cieplnej do 1 grama lodu o temperaturze 0 °C, niż do 1 grama lodowatej wody o temperaturze 0 °C.

• Pocenie się powoduje ochłodzenie: Pocenie się to ratująca życie funkcja organizmu, która pomaga regulować temperaturę ciała. Kiedy jest gorąco lub temperatura ciała wzrasta z powodu ćwiczeń lub gorączki, pot jest uwalniany przez kanały w skórze. Zawiera 90% wody. Krople potu obecne na twoim ciele wykorzystują ciepło ciała do przejścia fazowego z cieczy w parę. Powoduje to efekt chłodzenia, który pomaga utrzymać temperaturę ciała i schładza organizm.
• Zawsze zachowaj ostrożność podczas otwierania pokrywy garnka, gdy woda się w nim gotuje: woda ma duże utajone ciepło właściwe parowania. Gdy para skrapla się na skórze ramienia, uwalnia się bardzo duża ilość utajonego ciepła, co powoduje poważne oparzenia.

Pytanie 1: Ile energii cieplnej potrzeba do stopienia 10 kg lodu? (Ciepło właściwe utajone lodu = 336 J g ^-1 )
Rozwiązanie: m = 10 kg, L = 336 J g ^-1
Wymagana energia cieplna = ml = 10000 × 336 = 3360000 J

Pytanie 2: Temperaturę 250 gramów wody o temperaturze 40°C obniża się do 0°C, dodając do niej lód. Znajdź masę dodanego lodu. (Ciepło właściwe utajonego lodu wynosi 336 J g ^-1 , a ciepło właściwe wody 4,2 J g ^-1 K ^-1 )
Rozwiązanie: Energia cieplna utracona przez wodę = energia cieplna uzyskana przez lód
Spadek temperatury wynosi 40 − 0 = 40 °C.
Ciepło utracone przez wodę = m⋅c⋅Δt = 250 × 4,2 × 40 = 42000 J
Ciepło zdobyte przez lód = 42000 = masa lodu × 336 ⇒ masa lodu = 42000 ∕ 336 = 125 g

Pytanie 3: 10125 J energii cieplnej zamienia 4,5 g wody o temperaturze 100°C w parę o temperaturze 100°C. Znajdź utajone ciepło pary w jednostkach SI.
Rozwiązanie: Ciepło utajone pary L = 10125 J ∕ (4,5 × 10 ^-3 ) kg = 2250 × 10 ³ J∕kg