Změny skupenství (test version, not revised) Petr Pošta pposta@karlin.mff.cuni.cz 24. listopadu 2010
Obsah Tání Tuhnutí Sublimace a desublimace Vypařování a var. Kondenzace Sytá pára Fázový diagram Vodní pára v atmosféře
Změna skupenství = Fázový přechod Fyzikální děj, při kterém se mění skupenství látky, nazýváme změna skupenství látek nebo také fázovým přechodem. Některé látky existují ve všech třech skupenstvích plynné kapalné pevné.
Změny skupenství Látka může přecházet z pevného skupenství do kapalného skupenství (tání) z kapalného skupenství do pevného skupenství (tuhnutí) z pevného skupenství do plynného skupenství (sublimace) z plynného skupenství do pevného skupenství (desublimace) z kapalného skupenství do plynného skupenství (vypařování, var) z plynného skupenství do kapalného skupenství (kondenzace)
Tání
Tání přechod z pevného do kapalného skupenství probíhá při teplotě tání, která závisí na látce a vnějších podmínkách (zejména tlaku). Při normálním tlaku mluvíme o tzv. normální teplotě tání, kterou najdeme v tabulkách. (led 0 C, olovo 327,4 C, kysĺık 218, 4 C) Proces tání u krystalické pevné látky probíhá takto: dodáním tepla (energie) látku nejprve zahřejeme na teplotu tání. Poté dodáním dalšího tepla látka roztaje. Toto teplo (energii) je potřeba dodat na roztrhání vazeb mezi molekulami. U amorfní pevné látky se teplota látky zvyšuje i během procesu tání, kdy látka postupně více a více měkne, až se přemění v kapalinu.
Tání graf závislosti teploty krystalické a amorfní látky na dodaném teple
(měrné) skupenské teplo tání Teplo, které je potřeba dodat (krystalické) látce zahřáté na teplotu tání, aby se přeměnila v kapalinu, se nazývá skupenské teplo tání a značí se L t. Má jednotku J (joule). Teplo, které je potřeba dodat 1 kg (krystalické) látky zahřáté na teplotu tání, aby se přeměnila v kapalinu, se nazývá měrné skupenské teplo tání a značí se l t. Má jednotku J. kg 1 Platí l t = L t m, kde m je hmotnost látky. Měrné skupenské teplo lze najít v tabulkách, např. led 334 kj. kg 1, olovo 23 kj. kg 1, hliník 397 kj. kg 1, železo 279 kj. kg 1. Pokud porovnáme teplo potřebné na zahřátí látky na teplotu tání a teplo potřebné na roztání látky, pak je to druhé obvykle značně větší!
Tání z hlediska molekulové fyziky látka přijímá teplo = zvyšuje se vnitřní kinetická energie částic = zvyšuje se jejich rychlost, a tím i rozkmit, potažmo vzdálenost mezi částicemi při dosažení teploty tání už je rozkmit tak velký, že se začínají narušovat vazby mezi částicemi v místě, kde došlo ke zrušení vazeb, se mohou částice volně pohybovat a pevná látka se tak stává kapalinou
Tuhnutí
Tuhnutí přechod z kapalného do pevného skupenství probíhá při teplotě tuhnutí, která je stejná jako teplota tání. Proces tuhnutí u krystalické látky probíhá takto: odebráním tepla (energie) látku nejprve ochladíme na teplotu tání (tuhnutí). Poté odebíráním další energie látka postupně tuhne. Toto teplo vzniká postupným vytvářením vazeb mezi molekulami. Nejprve vznikají krystalizační jádra, tzv. zárodky malé pevné částečky uvnitř kapaliny. Obvykle jich vzniká více kolem pevných částeček přítomných v kapalině, např. zrníček prachu. Ve chvíli, kdy látka ztuhne, se všechny krystalky spojí a vznikne polykrystal. Ke vzniku monokrystalu je tak zapotřebí velmi čistá kapalina, ve které vznikne pouze jeden zárodek. U amorfní látky se teplota kapaliny snižuje i během procesu tuhnutí, kdy látka postupně více a více tuhne, až se přemění v amorfní pevnou látku.
Přechlazená kapalina U velmi čisté kapaliny se může stát, že zárodečný krystal nevznikne a kapalina se ochladí na nižší teplotu, než je teplota tání/tuhnutí. Takové kapalině se říká přechlazená kapalina. (Lze pozorovat i u vody, typické je to pro thiosíran sodný nebo octan sodný, čehož se využívá u tzv. termováčků.) V případě, že do přechlazené kapaliny vhodíme malý krystalek nebo nečistotu, látka obvykle rychle (zčásti) ztuhne a přitom se zahřeje na teplotu tání.
(měrné) skupenské teplo tuhnutí Teplo, které je potřeba odebrat kapalině ochlazené na teplotu tání, aby se přeměnila v (krystalickou) pevnou látku, se nazývá skupenské teplo tuhnutí a značí se L t. Má jednotku J (joule). Je stejné jako skupenské teplo tání. Teplo, které je potřeba odebrat 1 kg kapaliny ochlazené na teplotu tání, aby se přeměnila v (krystalickou) pevnou látku, se nazývá měrné skupenské teplo tuhnutí a značí se l t. Má jednotku J. kg 1. Platí l t = L t m, kde m je hmotnost látky. Taktéž je stejné jako měrné skupenské teplo tání.
Tuhnutí z hlediska molekulové fyziky látka odevzdává teplo = snižuje se vnitřní kinetická energie částic = snižuje se jejich rychlost při dosažení teploty tání/tuhnutí už je rychlost částic tak malá, že při náhodném vzniku vazby mezi částicemi nemají tyto částice dostatek energie (resp. dost rychlosti) na to, aby došlo k opětnému zrušení této vazby (resp. k úniku ze vzájemného silového působení) v místě, kde dojde ke vzniku vazeb, se částice už nemohou dále volně pohybovat a začíná vznikat krystalová mřížka
Změny objemu (hustoty) při tání/tuhnutí Příklady: led má zhruba o 9% větší objem než voda stejné hmotnosti naopak tekuté olovo má o cca 3,5% větší objem než pevné olovo Většina látek při tání svůj objem zvětšuje, ale z tohoto pravidla je řada výjimek (led/voda, bismut, germanium, některé slitiny). Růst objemu při tání je způsobený zvýšením střední vzdálenosti jednotlivých částic, což nastává u všech látek. Výjimečné látky, jejichž objem se zvětšuje při tuhnutí, mají tu vlastnost, že jejich krystalová mřížka obvykle obsahuje četné mezery.
Sublimace a desublimace
Sublimace přechod z pevného do plynného skupenství sublimuje např. jod, kafr, pevný CO 2 (suchý led), led, sníh nebo všechny páchnoucí pevné látky probíhá při všech teplotách, s rostoucí teplotou se proces urychluje
(měrné) skupenské teplo sublimace Teplo, které je potřeba dodat pevné látce, aby se přeměnila přímo v plyn procesem sublimace, se nazývá skupenské teplo sublimace a značí se L s. Má jednotku J (joule). Teplo, které je potřeba dodat 1 kg pevné látky, aby se přeměnila přímo v plyn, se nazývá měrné skupenské teplo sublimace a značí se l s. Má jednotku J. kg 1 Platí l s = L s m, kde m je hmotnost látky. Měrné skupenské teplo lze najít v tabulkách, např. pro led při teplotě 0 C je 2,8 MJ. kg 1 (tedy asi 10x větší než při přeměně na kapalinu).
Sublimace z hlediska molekulové fyziky molekuly v pevné látce se pohybují, obvykle kmitají kolem rovnovážných poloh čas od času se (vlivem náhodných srážek) podaří nějaké molekule z rovnovážné polohy uniknout pokud je tato molekula v povrchové vrstvě, pak může uniknout přímo do vzduchu; tyto uniklé molekuly tvoří vznikající plyn úniky z rovnovážné polohy jsou tím častější, čím rychlejší jsou částice v látce, tj. čím vyšší je teplota látky
Desublimace přechod z plynného do pevného skupenství probíhá při všech teplotách vždycky doprovází sublimaci: zatímco při sublimaci unikají částice pevné látky do vzduchu, při procesu sublimace se uniklé částice vrací nazpět do pevné látky Příkladem desublimace může být tvorba jinovatky (z vodní páry za mrazu) nebo drobných jodových krystalků z jodových par.
Desublimace z hlediska molekulové fyziky uniklé molekuly tvořící plyn se mohou volně pohybovat v prostoru čas od času nějaká z těchto molekul narazí na povrch pevné látky pokud není příliš rychlá nebo se náhodou trefí do uvolněného místa, pak se mezi ní a jejími sousedy vytvoří vazba a molekula tak zůstane v pevné látce Pokud necháme sublimaci volně běžet v uzavřené nádobě, pak se po nějakém čase vyrovná počet unikajících molekul z pevné látky a naopak proces navracejících se molekul z plynu.
Vypařování a var. Kondenzace
Vypařování přechod z kapalného do plynného skupenství probíhá při všech teplotách urychluje se s rostoucí teplotou, větším povrchem kapaliny a snížením koncentrace par nad kapalinou (odsáváním, větrem) Proces vypařování u kapalin probíhá podobně jako sublimace u pevných látek: částice z povrchové vrstvy mohou (vlivem náhodných srážek) uniknout ze sféry působení molekul kapaliny a vytvoří plyn (páru).
(měrné) skupenské teplo vypařování Teplo, které je potřeba dodat kapalině, aby se přeměnila v plyn procesem vypařování, se nazývá skupenské teplo vypařování a značí se L v. Má jednotku J (joule). Teplo, které je potřeba dodat 1 kg kapaliny, aby se přeměnila v plyn, se nazývá měrné skupenské teplo vypařování a značí se l v. Má jednotku J. kg 1. Platí l v = L V m, kde m je hmotnost látky. Měrné skupenské teplo vypařování lze najít v tabulkách. S rostoucí teplotou klesá. Např. pro vodu při teplotě 0 C je 2,51 MJ. kg 1, při teplotě kolem 100 C asi 2,26 MJ. kg 1.
Vypařování z hlediska molekulové fyziky Analogické vysvětlení jako u sublimace. molekuly v kapalině se pohybují, kmitají kolem rovnovážných poloh nebo přechází z jedné rovnovážné polohy do jiné, tj. čas od času se (vlivem náhodných srážek) podaří nějaké molekule z rovnovážné polohy uniknout (a to podstatně častěji než u pevných látek) pokud je tato molekula v povrchové vrstvě, pak může uniknout přímo do vzduchu; tyto uniklé molekuly tvoří vznikající plyn (páru) úniky z rovnovážné polohy jsou tím častější, čím rychlejší jsou částice v látce, tj. čím vyšší je teplota látky
Var (poprvé) Při dosažení určité teploty pozorujeme, že látka se dalším dodávání tepla nezahřívá. Namísto toho uvnitř začnou vznikat bubliny páry (a to tím rychleji, čím více tepla dodáváme). Tento jev nazýváme var. var nastává při určité teplotě, tzv. teplotě varu, která závisí na látce a na vnějších podmínkách (zejména tlaku). V případě normálního tlaku mluvíme o normální teplotě varu. Např. pro vodu je normální teplota varu 99,98 C, při dvojnásobném tlaku 200 kpa je to asi 120 C (Papinův hrnec), při tlaku 20 kpa je to asi 60 C.
(měrné) skupenské teplo varu Je to teplo, které se rovná (měrnému) skupenskému teplu vypařování při teplotě varu. Pro vodu již zmíněných 2,26 MJ. kg 1, pro ethylalkohol 0,84 MJ. kg 1. Vysoká teplota varu vody je důvodem, proč je voda dobrým hasicím prostředkem (na její přeměnu na páru je potřeba velké množství energie, kterou odebere hořící látce).
Kondenzace (kapalnění) přechod z plynného do kapalného skupenství probíhá při všech teplotách urychluje se se zvšením koncentrace par nad kapalinou Podobný procesu desublimace u pevných látek. Příkladem může být orosení skel za nízkých teplot.
Kondenzace z hlediska molekulové fyziky Molekuly tvořící plyn se mohou volně pohybovat v prostoru. Čas od času nějaká z těchto molekul narazí na povrch kapaliny, popřípadě na jinou molekulu plynu. Pokud není příliš rychlá, pak se mezi ní a jejími sousedy vytvoří vazba. Molekula tak bud zůstane v kapalině nebo shluklé molekuly začnou vytvářet kapku. Pokud necháme proces vypařování volně běžet v uzavřené nádobě, pak se po nějakém čase vyrovná počet unikajících molekul z kapaliny a naopak proces navracejících se molekul z plynu. V takovém případě mluvíme o vzniku syté páry.
Sytá pára
Vznik syté páry Pokud necháme proces vypařování volně běžet v uzavřené nádobě, pak se po nějakém čase vyrovná počet unikajících molekul z kapaliny a naopak proces navracejících se molekul z plynu. Kapalina a pára se dostanou do rovnovážného stavu. Pára, která je v rovnovážném stavu se svou kapalinou, se nazývá sytá pára.
Tlak syté páry (objem páry) Z experimentů vyplývá následující poznatek: tlak syté páry nezávisí při stálé teplotě na objemu páry. Jinak řečeno: pokud zvětšíme objem nádoby a tak poklesne tlak par, část kapaliny se opět vypaří, dokud tlak nestoupne na původní hodnotu. (Pro sytou páru tedy neplatí Boyle-Mariottův zákon, protože nejde o izotermický děj, při kterém by se neměnil počet částic plynu.) Někdy se můžete dočíst v učebnicích fyziky, že z tohoto důvodu neplatí pro sytou páru ani stavová rovnice pro ideální plyn (pv = NkT ). Její použití skutečně není vhodné, výsledné chyby jsou příliš velké, skutečný důvod ale leží někde úplně jinde.
Tlak syté páry (teplota páry) Z experimentů dále vyplývá: tlak syté páry při rostoucí teplotě roste. Křivka syté páry Závislost tlaku syté páry na teplotě se nazývá křivka syté páry. Pro různé látky je různá, pro látky typu vody viz obrázek.
Křivka syté páry trojný bod Tato křivka má počáteční a koncový bod. Počátečnímu bodu přísluší nejmenší hodnota teploty T A a tlaku p A, při kterých existuje kapalina a sytá pára v rovnovážném stavu (příslušná teplota je teplotou tuhnutí kapaliny při tlaku p A ). Při této teplotě a tlaku tedy může být v rovnováze s kapalinou a párou také pevné skupenství látky. Někdy tedy tento bod A nazýváme trojným bodem (podle toho, že v rovnováze se nachází všechna tři skupenství).
Křivka syté páry kritický bod Tato křivka má počáteční a koncový bod. Koncovému bodu přísluší největší hodnota teploty T K a tlaku p K, při kterých existuje kapalina a sytá pára v rovnovážném stavu a přitom tato dvě skupenství lze od sebe rozeznat. S rostoucím tlakem se totiž zvyšuje hustota páry a s rostoucí teplotou snižuje hustota kapaliny, přitom tyto změny jdou ruku v ruce. V kritickém bodě je hustota kapaliny i páry stejná a látka se stává homogenní. Koncový bod nazýváme kritickým bodem, příslušnou teplotu a tlak kritickou teplotou a kritickým tlakem, hustotu kritickou hustotou. Např. pro vodu to jsou 647,3 K (374,15 C), 22,13 MPa a 315 kg. m 3.
Křivka syté páry teplota varu Z křivky syté páry lze také odečíst teplotu varu. Připomeňme, že při varu vznikají uvnitř kapaliny bubliny v celém jejím objemu, které poté stoupají vzhůru. Vnitřek bublin tvoří pára, která musí vzdorovat tlaku vnějšího prostředí (především atmosféry). K varu tedy dochází tehdy, kdy tlak sytých par uvnitř bubliny je přibližně roven tlaku vnějšího prostředí, tj. atmosférickému tlaku. Na svislé ose tedy najdeme hodnotu odpovídající tlaku vzduchu, k němu příslušný bod na křivce a k tomuto bodu příslušnou teplotu, která je přibližně rovna teplotě varu za tohoto tlaku.
Fázový diagram
Fázový diagram Na svislé ose tlak, na vodorovné teplota. Sestává se ze tří křivek křivka syté páry k p (už známe) křivka tání k t (a tuhnutí) sublimační křivka k s (též křivka sublimace a desublimace)
Fázový diagram Body jednotlivých křivek označují hodnoty tlaku a teploty, kdy jsou v rovnováze obě skupenství: v případě křivky tání pevné a kapalné, v případě křivky syté páry kapalné a plynné a v případě sublimační křivky pevná látka a její sytá pára. Rovnovážný stav pevné látky a její syté páry je obdobný rovnovážnému stavu kapaliny a páry, tj. z páry do pevné látky (desublimace) přechází stejné množství částic jako z pevné látky do páry (sublimace).
Fázový diagram křivka tání Křivka tání začíná v bodě A (již zmíněném trojném bodě). Nejsou známy experimenty, které by svědčily o tom, že tato křivka má někde konec (podobně jako křivka sytých par).
Fázový diagram sublimační křivka Křivka směřuje od počátku do bodu A (již zmíněného trojného bodu). V případě velmi nízkých teplot se ale vlastnosti látek velmi výrazně mění, proto ji obvykle nekresĺıme už od počátku.
Fázový diagram trojný bod V trojném bodě (bod A) mohou v rovnováze vedle sebe existovat kapalina, plyn i pevná látka. Tento stav nastává při jediné kombinaci tlaku a teploty.
Fázový diagram tři oblasti Tři křivky děĺı diagram do tří oblastí. Oblast I je oblast, ve které může látka v rovnováze existovat pouze v pevném skupenství. Oblast II je oblast, ve které může látka v rovnováze existovat pouze v kapalném skupenství. Konečně oblast III je oblast, ve které může látka v rovnováze existovat pouze v plynném skupenství. Přitom tento plyn má nižší tlak, než sytá pára téže teploty. Někdy mluvíme o tzv. přehřáté páře. Přechod z jedné oblasti do druhé odpovídá změně skupenství látky.
Fázový diagram přehřátá pára Přehřátá pára může vzniknout ze syté páry dvěma základními způsoby: zvětšením objemu syté páry bez přítomnosti kapaliny při konstantní teplotě zahříváním syté páry bez přítomnosti kapaliny při konstantním tlaku Přehřátá pára je pára, která má nižší tlak a hustotu než sytá pára téže teploty.
Fázový diagram čtvrtá oblast Někdy rozlišujeme také čtvrtou oblast ve fázovém diagramu, která odpovídá vyšší než kritické teplotě. Při takové teplotě je látka vždy homogenní. Zkapalnění látky tak lze provést více způsoby. Při podkritické teplotě jde o viditelný přechod, proces kondenzace. Při ději, kdy plyn nejprve ohřejeme na nadkritickou teplotu, poté stlačíme na nadkritický tlak, následně zchladíme a tlak snížíme, je tento přechod plynulý a látka je neustále homogenní. Znázornění ve fázovém diagramu!
Vodní pára v atmosféře
Absolutní vlhkost značka: Φ jednotka: kg m 3 Absolutní vlhkost je skalární fyzikální veličina, která je vlastně hustotou vodních par ve vzduchu. Definujeme ji jako podíl Φ = m V, kde m je hmotnost vodních par ve vzduchu o objemu V. Měří se vlhkoměrem bud pomocí lidského vlasu (mění délku) nebo pomocí hygroskopických látek, které dokáží všechnu vodu ze vzduchu vstřebat (čímž se zvýší jejich hmotnost právě o tuto vstřebanou vodu).
Přehřátá a sytá vodní pára Vodní pára ve vzduchu bývá obvykle přehřátá. Při rostoucím množství vodních par nebo při snížení teploty se může stát sytou parou. Tím absolutní vlhkost dosáhne své maximální hodnoty Φ m. (Další příbytek vodní páry už není možný, tato přebytečná vodní pára totiž kondenzuje.) Hodnoty maximální absolutní vlhkosti pro různé teploty jsou tabelovány.
Relativní vlhkost značka: ϕ jednotka: 1 (bezrozm.) Je to podíl absolutní vlhkosti a její maximální hodnoty při dané teplotě: Vztah lze psát také ve tvaru ϕ = Φ Φ m 100%. ϕ = p p m 100% kde p je skutečný tlak vodních par a p m tlak sytých vodních par při dané teplotě. suchý vzduch relativní vlhkost 0% vzduch nasycený vodní parou rel. vlh. 100% nejvhodnější pro člověka: 50%-70%
Teplota rosného bodu (rosný bod) Je to teplota, na kterou by bylo potřeba ochladit vzduch (při daném tlaku), aby se vodní pára stala sytou. Tedy teplota, pod kterou začne vodní pára ze vzduchu kondenzovat (a orosí např. skla nebo jiné předměty v místnosti). Z páry vzniká na chladných předmětech rosa, nad povrchem země mlha, ve vyšších polohách mraky. Při teplotách nižších než 0 C vzniká jinovatka nebo sníh. (Mlhu a mraky tedy tvoří přímo rozptýlené kapičky vody, popř. ledu, nikoliv vodní pára!)