Změny skupenství
Látka existuje ve třech skupenstvích Pevném Kapalném Plynném Látka může přecházet z jednoho skupenství do druhého. Existují tedy tyto změny skupenství:
Změny skupenství plyn sublimace kapalnění pevná látka kapalina tuhnutí
Změny skupenství plyn desublimace vypařování var pevná látka tání kapalina
TÁNÍ
Tání K tomu, aby pevná těleso roztálo, je třeba splnit tyto podmínky: zahřát jej na teplotu tání (t t ) po celou dobu, co taje, dodávat tzv. skupenské teplo tání (L t ). Teplo potřebné na roztátí 1 kg látky se nazývá měrné skupenské teplo tání (l t ). Mezi L t a l t evidentně platí: L m t l t J kg 1 l t
Tání Jestliže zvyšujeme teplotu pevného tělesa, tak se dodávané teplo, mění na vnitřní kinetickou energii (U k ) a intenzita pohybu částic se zvyšuje. Dosáhne-li teploty tání, je pohyb částic již tak intenzivní, že se začnou uvolňovat z krystalové mřížky, a látka taje. Dodávané teplo se nyní mění na vnitřní potenciální energii (U p ), takže teplota je konstantní. Teprve až celé těleso roztaje, začne se dodané teplo opět měnit na U k a teplota znovu zvyšovat.
Tání 20 t/ o C Závislost teploty na čase při tání ledu 1 2 3 Zahřívání ledu Q U k teplota se zvyšuje 0 t/min 0 50 100 150 200-20 Led taje Q U p teplota je konst. Zahřívání vody Q U k teplota se zvyšuje -40
Hodnoty teplot tání a měrného skupenského tepla tání č. látka t t / o C 1 kyslík 219 2 voda 0 3 olovo 327 4 zlato 1064 č. látka l t / kj.kg -1 1 wolfram 19 2 olovo 23 3 cín 59 4 stříbro 105 5 měď 205 6 železo 279 7 voda 334 8 hliník 397 9 NaCl 500
Tání Amorfní látky (např. vosk, parafín, sklo) nemají žádnou určitou teplotu tání, neboť při zahřívání postupně měknou, takže není možno říci, kdy se ještě jedná o PL a kdy již o kapalinu.
Závislost teploty na čase při tání krystalické a amorfní látky 20t/ o C Zde začíná krystalická látka tát 0 t/min 0 50 100 150 200-20 a zde již všechna roztála -40 amorfní látka krystalická látka
Tání ledu Velká hodnota l t ledu je příčinou toho, že led a sníh tají jen velmi pomalu. Tím oddalují nástup letních veder a stabilizují teplotu na Zemi.
TUHNUTÍ
Tuhnutí Chceme-li změnit kapalné těleso na těleso pevné, musíme splnit tyto podmínky: ochladit jej na teplotu tuhnutí (stejná jako teplota tání) odebírat tzv. skupenské teplo tuhnutí (stejně velké jako skupenské teplo tání) Dosáhneme-li teploty tuhnutí, začnou se na krystalizačních jádrech (obvykle na nečistotách), vytvářet drobné krystalky, které neustále rostou. Nakonec se všechny spojí, čímž vznikne polykrystalická látka. Je-li však kapalina velmi čistá, nemusí ztuhnout ani při teplotách nižších než je teplota tuhnutí. Pak mluvíme o přechlazené kapalině.
Tuhnutí Většina látek při tuhnutí svůj objem zmenšuje (např. Pb -3,4 %, Cd - 4,7 %). Ale existují i takové, jenž objem zvětšují (led +9 % a dále pak Sb, Bi, Ge a některé slitiny.) V důsledku toho led plave na hladině a nehromadí se u dna, čímž zbraňuje promrzání vodních nádrží až ke dnu. 8 % 92 %
Tuhnutí Mrznoucí voda rozrušuje skály, způsobuje praskání zdiva, potrubí atd. Teplota tání, resp. tuhnutí, závisí na tlaku. U látek, které při tuhnutí svůj objem zmenšují, se s rostoucím tlakem zvyšuje a u látek, které při tuhnutí svůj objem naopak zvětšují, se snižuje. p/.10 5 Pa t t / o C 100-1 2000-20
VYPAŘOVÁNÍ
Vypařování Vypařováním rozumíme přeměnu kapaliny v páru. Protože z jejího povrchu unikají ty nejrychlejší molekuly, kapalina se při vypařování ochlazuje a odnímá svému okolí teplo. Toto teplo se nazývá skupenské teplo vypařování (L v ). K vypaření 1 kg kapaliny je potřeba měrné skupenské teplo vypařování (l v ). L m l v v J kg 1 l v
Vypařování S rostoucí teplotou lv klesá. Např. voda má: t/ o C l v /MJ.kg -1 0 2,51 100 2,26
Vypařování Intenzitu vypařování můžeme ovlivnit: Teplotou (při vyšší teplotě je vypařování rychlejší) obsahem volného povrchu kapaliny způsobem odstraňování par (např. odsáváním, foukáním atd.) Látkou (alkohol se vypařuje rychleji než voda)
Význam vypařování Živočichové a rostliny se odpařováním vody chladí. Vypařováním těkavé kapaliny se snižuje teplota v mrazničce či chladničce. Např. lidské tělo se odpařováním potu chladí tak účinně, že trénovaný člověk je bez oděvu schopen snášet suchý vzduch až o teplotě 200 C.
VAR
Var Var je zvláštní případ vypařování, při němž se kapalina vypařuje na celém svém objemu. K tomu, aby se kapalina vařila, je třeba splnit tyto podmínky: zahřát ji na teplotu varu (t v ) po celou dobu varu dodávat teplo, tzv. skupenské teplo varu (L v ). Teplota varu se s rostoucím tlakem zvětšuje. p/kpa t v / o C Závislost teploty varu vody na nadmořské výšce 20 60 100 100 200 120
Var Var za zvýšeného tlaku využíváme: při výrobě papíru a celulózy v asanačních ústavech jaderných elektrárnách při sterilizaci obvazového materiálu a chirurgických nástrojů při úpravě potravin v domácnosti (tlakový čili Papinův hrnec, t v 130 C) Var za sníženého tlaku využíváme při destilacích. Tzn. např. při odsolování mořské vody při výrobě sirupů, krystalového cukru, práškového mléka apod.
Var Měrné skupenské teplo varu se rovná měrnému skupenskému teplu vypařování při teplotě varu. látka t varu / o C l varu /MJ.kg -1 voda 100 2,26 ethylalkohol 78,3 0,84
Var Při varu se bublinky páry vytvářejí nejdříve na nečistotách. Pokud je ale kapalina velmi čistá, nevaří se ani při teplotě vyšší než je teplota varu. Mluvíme pak o přehřáté kapalině. Video
KAPALNĚNÍ
Kapalnění Jestliže páru stlačujeme anebo ochlazujeme, může se opět měnit na kapalinu tzn. kapalnět neboli kondenzovat. Ke kapalnění může dojít: na povrchu pevné látky (rosa) na nečistotách ve volném prostoru (mlha) Při kapalnění se uvolňuje skupenské teplo kondenzační (L k ). Měrné skupenské teplo kondenzační (l k ). je rovno měrnému teplu vypařování při téže teplotě.
SUBLIMACE A DESUBLIMACE
Sublimace Sublimace je přeměna látky ve skupenství pevném přímo do skupenství plynného. Pozorujeme ji např. u jodu, kafru, pevného oxidu uhličitého, ledu nebo sněhu a rovněž u všech vonných anebo páchnoucích látek.
Sublimace Sublimující látka odnímá svému okolí skupenské teplo sublimace (L s ). L m l s s J kg 1 L s látka t/ o C l s /MJ.kg -1 led H 2 O 0 2,8
Desublimace Přeměna plynu přímo v pevnou látku se nazývá desublimace. Desublimací vzniká např. jinovatka za teplot nižších než 0 C. Např. na Marsu je tlak tak nízký, že zde voda neexistuje jako kapalina. Vodní led pak v létě sublimuje a v zimě desublimuje.
Desublimace polární čepička Marsu Halleyova kometa Led v jádře komety v blízkosti Slunce sublimuje a vytváří se ohon
FÁZOVÝ DIAGRAM VODY
Voda v uzavřené nádobě Nalijeme li vodu do uzavřené nádoby, začnou její molekuly unikat do volného prostoru nad hladinou voda se vypařuje. Některé z molekul se však vracejí zpět pára zároveň kondenzuje. Nejdříve převládá vypařování nad kondenzací, ale po určité době se počet unikajících a vracejících se molekul vyrovná vzduch nad hladinou je parami úplně nasycen a vznikla sytá pára, která je v dynamické rovnováze s vodou v kapalném stavu.
Voda v uzavřené nádobě Otevřená nádoba Uzavřená nádoba Molekuly unikají z kapaliny a jen velmi malý počet se jich vrací zpět. Molekuly unikající z kapaliny, vytvoří sytou páru. Kolik jich unikne, tolik se vrátí zpět.
Voda v uzavřené nádobě Voda v uzavřené nádobě a její sytá pára jsou charakterizovány teplotou, tlakem a hustotou. Jestliže zvýšíme teplotu, rovnováha se poruší a ustanoví se rovnováha nová, přičemž se: zvýší tlak zvýší hustota syté páry sníží hustota kapaliny Jestliže dosáhneme tzv. kritické teploty (T k ), vyrovnají se hustoty vody a její syté páry, takže rozhraní mezi nimi zmizí a my již nemůžeme rozlišit, co je kapalina a co pára.
Křivka vypařování Graf p = f(t) nazýváme křivkou vypařování. p k p kritický bod K křivka vypařování T k T
Kritická teplota Při kritické teplotě má soustava tzv. kritický tlak (p k ) a kritickou hustotu ( k ). Pro vodu pak platí: t k = 374,15 o C p k = 22,13 MPa k = 315 kg.m -3
Přehřátá pára Jestliže i nadále zvyšujeme teplotu, stane se z páry syté pára přehřátá. Silně přehřáté páry pak nazýváme plyny. Přehřátou páru (tj. plyn) nelze zkapalnit. Voda neexistuje jako kapalina při teplotě vyšší než 374 C Ochlazujeme li naopak nádobu, tak se v ní při teplotě t t = 0,01 C a tlaku 610 Pa objeví i led. Systém je tak tvořen všemi třemi skupenstvími, tzn. ledem, kapalnou vodou a její sytou párou. Na grafu p=f(t) je tento stav znázorněn tzv. trojným bodem.
Trojný bod p p k K p t T T t trojný bod T k T
Sublimační křivka Jestliže nádobu ochladíme na teplotu nižší než 0,01 C, zmizí voda v kapalném stavu a systém bude tvořen pouze ledem a sytou párou. Se snižující se teplotou tlak sytých par klesá a naopak. Graf p = f(t) nazýváme sublimační křivkou.
Sublimační křivka p p k K sublimační křivka p t T T t T k T
Křivka tání Jestliže uzavřenou nádobu zcela naplněnou vodou ochladíme na teplotu trojného bodu, pak se v ní při tlaku 610 Pa objeví led. Důsledek: Voda nemůže existovat jako kapalina při tlaku nižším než je tlak trojného bodu, tj. 610 Pa. Když teplotu dále snižujeme, množství ledu roste, což má za následek prudký vzrůst tlaku, protože led má větší objem než voda. Závislost p = f(t) nazýváme křivka tání.
Křivka tání p p k křivka tání K p t T T t T k T
Fázový diagram Křivka vypařování, sublimace a tání tvoří tzv. fázový diagram vody. Plocha grafu je jimi rozdělena na oblast pevného skupenství, kapalného skupenství a plynného skupenství.
Fázový diagram vody p křivka tání K kapalné skupenství pevné skupenství sublimační křivka T křivka vypařování plynné skupenstv í T
Fázový diagram vody p/pa Změna skupenství při nízkém tlaku (p 610 Pa) K led 610 T přehřátá pára 1 3 2 273,16 sytá pára led (desublimace) T/K
Fázový diagram vody p/pa Změna skupenství při atmosférickém tlaku voda sytá pára (kondenzace) 10 5 4 3 voda 2 1 led přehřátá pára led voda 273,15 273,16 (tuhnutí) 373 T/K
Fázový diagram vody p Přehřátá vodní pára se může plynule měnit na vodu, aniž by došlo ke kondenzaci 2 4 K voda T přehřátá pára 1 T