13. Skuenské změny látek Skuenství je konkrétní forma látky, charakterizovaná ředevším usořádáním částic v látce a rojevující se tyickými fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Pro označení skuenství se také oužívá ojem fáze, který je však obecnější než skuenství, neboť látka může za různých telot a tlaků existovat v jednom skuenství, ale v různých fázích, lišících se nař. krystalovou stavbou. Skuenské řeměny: tání vyařování evná látka kaalina lyn tuhnutí kondenzace sublimace desublimace ání a tuhnutí a) z hlediska termodynamiky t Krystalická látka t morfní látka t0 telota tání Q Q Pozn.: ání má jiný růběh ro krystalické látky a amorfní látky. Krystalické látky tají ři konkrétní hodnotě teloty tání, zatímco amorfní látky řechází do kaalného skuenství sojitě v určitém intervalu telot. Nemají tedy řesně daný bod tání, ale ři zvyšování teloty ostuně měknou. U amorfních látek tedy nelze určit řesnou hranici mezi tím, kdy je látka ve skuenství evném, a kdy je ve skuenství kaalném. Skuenské telo tání je telo, které musíme dodat evnému tělesu dané hmotnosti m zahřátému na telotu tání, aby se změnilo na kaalné těleso téže hmotnosti i teloty: Lt = lt.m, kde lt je měrné skuenské telo tání b) z hlediska změn vnitřní struktury ání: Pevnému tělesu dodáno telo růst intenzity kmitání částic ostuné uvolňování částic z krystalické struktury kaalina. uhnutí: Vznik krystalizačních jader ravidelné seskuování částic kolem nich dokončení tuhnutí krystalky se vzájemně dotýkají (zrna) olykrystalická látka. Pozn.1: Pokud se v tavenině vytvoří jen jeden zárodek, vznikne monokrystal. Pozn.2: Při tuhnutí čisté látky se často krystalizační jádra začnou tvořit až za teloty nižší než je telota tuhnutí (řechlazená či odchlazená kaalina) nař. thiosíran sodný (t 0 = 48 o C) může být tekutý i ři 20 o C. Pak o vhození několika krystalků této látky rychlý řechod v evnou fázi. 1
Souvislost teloty tání a tlaku - křivka tání: většina látek látky s anomálií (voda) Změna objemu těles ři tání a tuhnutí - Většina látek ři tání zvětšuje svůj objem a ři tuhnutí ho zmenšuje. Existují ale látky (led, antimon, bismut, některé slitiny, ), které ři tání svůj objem zmenšují a ři tuhnutí zvětšují. Pozn. 3: U ledu je relativní zvětšení objemu největší - asi 9 %, což souvisí s jeho krystalovou strukturou. Při tání se krystalová mřížka bortí a volný rostor ostuně zalňují molekuly vody. Odtud je tedy zřejmé, že neusořádanému rozložení molekul vody odovídá menší objem než usořádanému rozložení v krystalové mřížce ledu. Závislost teloty tání na tlaku - elota tání krystalické látky závisí také na vnějším tlaku. U látek, u nichž je tání dorovázeno zvětšením objemu, roste ři zvýšení tlaku také telota tání. Je-li tání dorovázeno zmenšením objemu, ak se ři zvýšení vnějšího tlaku sníží telota tání látky (nař. voda). Pozn. 4: Regelací ledu (znovuzamrzáním ledu) Pomocí tohoto jevu bývá často vysvětlována kluzkost ledu (ři bruslení, ): v důsledku zvýšeného tlaku klesá telota tání a led částečně odtává (důležité je i tření brusle a ledu). Pozn. 5: Zvětšení objemu ři tuhnutí vody má značný význam v řírodě. Led má menší hustotu než voda a roto lave na vodě a svou malou teelnou vodivostí zabraňuje zamrzání vody do větších hloubek. Led vzniklý ři zamrznutí zůsobuje také rozrušování skal, raskání zdiva, Vyařování a kondenzace Vyařování robíhá na ovrchu kaaliny ři každé telotě, ři které může látka existovat v kaalném skuenství. Kaalina řitom řijímá telo. - Různé kaaliny se vyařují různě rychle (nejrychleji nař. éter, ak líh, voda, rtuť, ). - Rychlost vyařování se zvýší, zvýší-li se telota kaaliny, zvětší-li se obsah volného ovrchu a odstraňují-li se vzniklé áry nad kaalinou (odsáváním, foukáním, větrem, ). Pozn. 6: Pohledem molekulové fyziky Molekuly kaaliny konají teelný ohyb. Mají-li některé molekuly na volném ovrchu kaaliny takovou energii, že jsou schony řekonat síly outající je k ostatním molekulám, ak mohou uniknout do rostoru nad kaalinou a vytvoří áru. Je-li volný ovrch kaaliny ve styku se vzduchem, difunduje vzniklá ára do okolí. Některé molekuly áry se v důsledku teelného ohybu vracejí zět do kaaliny. Počet těchto vracejících se molekul je ři vyařování kaaliny v otevřené nádobě vždy menší než očet molekul, které v čase unikají z kaaliny. ím tedy ubývá kaaliny a zvětšuje se hmotnost áry. Vzhledem k tomu, že kaalinu ři vyařování oouštění ty nejrychlejší molekuly, snižuje se střední kinetická energie molekul kaaliny a tím i telota. elota vzniklé áry je však rovna telotě kaaliny, rotože molekuly ři ouštění kaaliny ztrácejí část své kinetické energie na úkor řekonání řitažlivých sil. Mají ale větší energii otenciální. Z toho důvodu je vnitřní energie áry dané hmotnosti větší než vnitřní energie kaaliny téže hmotnosti a teloty. 2
Var je stav, kdy robíhá vyařování v celém objemu kaaliny. Veškeré telo dodávané kaalině ři varu se sotřebuje na řeměnu skuenství, telota se nemění. elota varu = telota kaaliny, ři které tlak její syté áry je roven vnějšímu tlaku. elota varu roste s rostoucím vnějším tlakem. Použití: Painův hrnec, nižší telota varu na horách Sytá a řehřátá ára Sytá ára je v rovnovážném stavu se svojí kaalinou. Její tlak závisí ouze na chemickém složení a na telotě, nezávisí na objemu áry. Vzniká v uzavřené nádobě nad kaalinou nebo v tenké vrstvě nad hladinou kaaliny ve volném rostoru. Přehřátá ára má tlak menší než odovídá syté áře téže teloty. ento tlak záleží na objemu áry (zmenšení objemu zvětšení tlaku). Přehřátá ára se dá získat z áry syté buď zvětšením jejího objemu, nebo zahříváním (odtud název), ří. oběma ději současně bez řítomnosti kaaliny. Skuenské telo vyařování (varu) je telo, které musíme dodat kaalině hmotnosti m, aby se změnila na lyn (áru) téže teloty: Lv = lv.m, kde lv je měrné skuenské telo vyařování (varu). Souvislost teloty varu a tlaku křivka syté áry: trojný bod K K K kritický bod K Pozn. 7: Při zvětšování teloty rovnovážné soustavy kaalina + sytá ára roste hustota ρ s syté áry a klesá hustota ρ k kaaliny. Při kritické telotě K je ρ s = ρ k, a roto mizí rozhraní mezi kaalinou a její sytou árou. Při telotě K již látka neexistuje v kaalné fázi. Proto křivka syté áry končí v bodě K. Pozn. 8: Princi komresorové ledničky Základem je okruh s chladivem (kaalina s telotou varu, která se mění s tlakem v rozsahu několika desítek stuňů kolem 0 C) a komresor. Komresor vtlačuje chladivo v lynném stavu do výměníku (kondenzátoru), který je tvořen dlouhou tlustostěnnou kovovou trubicí (černá mřížka na zadní straně ledničky). Ve výměníku se lyn ochladí a změní na kaalinu (kondenzace). Přebytečné telo odevzdává kaalina okolí. Pak se kaalina dostává do výarníku, který má ve svých stěnách trubici s větším růřezem než byl ve výměníku. V tomto rostoru se ro kaalinu rudce sníží tlak, tím i telota varu, a kaalina se začne vyařovat. Potřebné skuenské telo odebírá z vnitřku ledničky. Pak je lyn řiváděn zět ke komresoru a cyklus se oakuje. 3
Sublimace a desublimace Sublimace je roces vyařování evných těles. Za normálního tlaku sublimují všechny vonící nebo áchnoucí evné látky nař. jod, naftalen, kafr, ale také evný oxid uhličitý, led nebo sníh. Skuenské telo sublimační je telo řijaté tělesem hmotnosti m ři jeho sublimaci za dané teloty: LS = ls.m, kde ls je měrné skuenské telo sublimační. Souvislost teloty, ři níž dochází k sublimaci a tlaku sublimační křivka: Fázový diagram K K kritický bod kt trojný bod I oblast evné látky I II k II oblast kaaliny III oblast lynu (řehřátá ára) ks III 0 Poznámka 9: Pro vodu: = 273,16 K (0 o C) K = 648 K (375 o C) = 610 Pa K = 22,1 MPa ρk = 315 kg.m -3 Rovnovážné stavy dané látky mezi různými skuenstvími můžeme znázornit do tzv. fázového diagramu. Fázový diagram se skládá ze tří křivek: k křivka syté áry znázorňuje rovnovážné stavy mezi kaalinou a její sytou árou; kt křivka tání znázorňuje rovnovážný stav mezi evným a kaalným tělesem téže látky, křivka není ukončena; ks křivka sublimační znázorňuje rovnovážný stav mezi evným tělesem a sytou árou z téže látky. Všechny tři křivky se stýkají v jednom bodě, který nazýváme trojný bod. Znázorňuje rovnovážný stav soustavy evné těleso + kaalina + sytá ára. Nař. voda má základní telotu 273,16 K, helium nemá trojný bod. elota trojného bodu vody je základní telota termodynamické telotní stunice. 4
Vodní ára v atmosféře Vlhkost vzduchu: a) absolutní Φ = V m, kde V je objem vzduchu a m je hmotnost vodních ar obsažených v tomto objemu [Φ]= kg.m -3 b) relativní φ =, kde Φ je skutečná absolutní vlhkost vzduchu m ři dané telotě a Φm je maximální absolutní vlhkost, tj. taková, ři níž jsou za dané teloty áry obsažené ve vzduchu syté...[ φ] = % Běžně oužívané hodnoty φ: suchý vzduch... φ = 0 % vzduch zcela nasycený vodní árou... φ = 100 % život a racovní schonosti člověka... φ = 50 % - 70 % Měření vlhkosti vzduchu vlhkoměry. elota rosného bodu je telota, ři které se ůvodně řehřátá vodní ára ve vzduchu stane sytou árou. - Při dalším snížení teloty ak sytá vodní ára kaalní. - Z vodní áry vzniká na chladných ředmětech rosa, nad ovrchem se tvoří mlha, ve výšce mraky. Je-li t r < 0, vzniká jinovatka nebo sníh. 5