Zjawiska cieplne · Przemiany fazowe

Przemiany fazowe

1. Stany skupienia i przemiany fazowe

### Stany skupienia W szkolnym opisie wyróżniamy trzy podstawowe stany skupienia materii: * **ciało stałe** — ma określony kształt i objętość, * **ciecz** — ma określoną objętość, ale przyjmuje kształt naczynia, * **gaz** — nie ma określonego kształtu ani objętości i wypełnia dostępne naczynie. ### Przemiany fazowe Zmianę stanu skupienia nazywamy przemianą fazową. Najważniejsze przemiany to: * **topnienie** — ciało stałe →\to ciecz, * **krzepnięcie** — ciecz →\to ciało stałe, * **parowanie** — ciecz →\to gaz, * **skraplanie** — gaz →\to ciecz, * **sublimacja** — ciało stałe →\to gaz, * **resublimacja** — gaz →\to ciało stałe. Topnienie, parowanie i sublimacja wymagają dostarczenia energii. Podczas krzepnięcia, skraplania i resublimacji energia jest oddawana do otoczenia. Przykładem sublimacji jest znikanie śniegu podczas mrozu bez wcześniejszego stopienia, a przykładem resublimacji — powstawanie szronu.

2. Ciepło przemiany fazowej

### Ciepło przemiany fazowej Dla czystej substancji podczas topnienia, krzepnięcia lub wrzenia przy stałym ciśnieniu temperatura pozostaje stała aż do zakończenia przemiany. Dostarczana lub odbierana energia służy wtedy do zmiany stanu skupienia. Wartość ciepła potrzebnego do przemiany fazowej masy mm opisuje wzór: Q=mLQ=mL gdzie: * QQ — ciepło [J][\text{J}], * mm — masa [kg][\text{kg}], * LL — ciepło przemiany fazowej [Jkg]\left[\frac{\text{J}}{\text{kg}}\right]. ### Topnienie i krzepnięcie Dla topnienia stosujemy: Qt=mLtQ_t=mL_t gdzie LtL_t jest ciepłem topnienia. Podczas krzepnięcia taka sama wartość energii jest oddawana do otoczenia. Dla lodu w temperaturze 0∘C0^\circ\text{C}: Lt≈334 kJkgL_t\approx334\,\frac{\text{kJ}}{\text{kg}} ### Parowanie i skraplanie Dla odparowania cieczy w temperaturze wrzenia: Qp=mLpQ_p=mL_p gdzie LpL_p jest ciepłem parowania. Podczas skraplania para oddaje taką samą wartość energii. Dla wody w temperaturze 100∘C100^\circ\text{C} pod ciśnieniem normalnym: Lp≈2260 kJkgL_p\approx2260\,\frac{\text{kJ}}{\text{kg}} ### Dlaczego podczas przemiany temperatura się nie zmienia? Dostarczana energia zmienia sposób ułożenia i wzajemne oddziaływania cząsteczek, zamiast zwiększać ich średnią energię ruchu. Dlatego w czasie samej przemiany temperatura pozostaje stała. ### Chłodzenie przez parowanie Parowanie wymaga energii. Gdy ciecz paruje, może pobierać ją z własnego otoczenia, powodując jego ochłodzenie. Tak działa między innymi chłodzenie skóry podczas parowania potu.

3. Krzywa ogrzewania i przemiany fazowe

### Etapy ogrzewania wody Na wykresie T(Q)T(Q) temperatura jest przedstawiona w zależności od dostarczonego ciepła. Dla wody pod ciśnieniem normalnym można wyróżnić pięć etapów: 1. ogrzewanie lodu do 0∘C0^\circ\text{C} — Q1=mclΔTQ_1=mc_l\Delta T, 2. topnienie lodu w 0∘C0^\circ\text{C} — Q2=mLtQ_2=mL_t, 3. ogrzewanie wody od 0∘C0^\circ\text{C} do 100∘C100^\circ\text{C} — Q3=mcwΔTQ_3=mc_w\Delta T, 4. wrzenie wody w 100∘C100^\circ\text{C} — Q4=mLpQ_4=mL_p, 5. ogrzewanie pary wodnej — Q5=mcpΔTQ_5=mc_p\Delta T. Jeżeli proces obejmuje kilka etapów, całkowite ciepło jest sumą energii potrzebnej na każdy z nich: Qcałk=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5Q_{\text{całk}}=Q_1+Q_2+Q_3+Q_4+Q_5 ### Odcinki poziome Podczas topnienia i wrzenia temperatura pozostaje stała, dlatego na wykresie T(Q)T(Q) pojawiają się odcinki poziome. Na odcinkach, na których nie zachodzi przemiana fazowa, obowiązuje: Q=mcΔTQ=mc\Delta T Dla tej samej masy mniejsze ciepło właściwe oznacza większy wzrost temperatury przy dostarczeniu tej samej energii, więc wykres jest bardziej stromy. ### Częściowa przemiana fazowa Jeżeli dostarczone ciepło jest za małe, aby przemienić całą masę, przemianie ulega tylko jej część: mprzem=QLm_{\text{przem}}=\frac{Q}{L} Temperatura pozostaje wtedy równa temperaturze przemiany, dopóki współistnieją obie fazy.

4. Parowanie, wrzenie i wpływ ciśnienia

### Parowanie a wrzenie **Parowanie** zachodzi na powierzchni cieczy i może zachodzić w każdej temperaturze, w której substancja występuje jako ciecz. Szybsze cząsteczki mogą opuszczać powierzchnię cieczy i przechodzić do gazu. **Wrzenie** zachodzi w całej objętości cieczy. W cieczy tworzą się i rosną pęcherzyki pary. ### Temperatura wrzenia a ciśnienie Temperatura wrzenia zależy od ciśnienia otoczenia. Wrzenie rozpoczyna się, gdy ciśnienie pary nasyconej może zrównać się z ciśnieniem zewnętrznym: pnas(Tw)=pzewnp_{\text{nas}}(T_w)=p_{\text{zewn}} Z tego wynika: * przy **mniejszym ciśnieniu** woda wrze w temperaturze niższej niż 100∘C100^\circ\text{C}, * przy **większym ciśnieniu** woda wrze w temperaturze wyższej niż 100∘C100^\circ\text{C}. Dlatego w wysokich górach woda wrze w niższej temperaturze, a w szybkowarze — w wyższej. Pod ciśnieniem normalnym temperatura wrzenia wody wynosi około 100∘C100^\circ\text{C}. ### Co dzieje się podczas wrzenia? Dalsze dostarczanie energii do wrzącej cieczy nie podnosi jej temperatury, dopóki trwa przemiana. Większa moc grzałki powoduje przede wszystkim szybsze odparowywanie cieczy.

5. Najważniejsze błędy i sposób rozwiązywania zadań

### Typowe błędy 1. **Pominięcie ciepła przemiany.** Jeśli ciało zmienia stan skupienia, w bilansie musi pojawić się składnik mLmL. 2. **Zakładanie wzrostu temperatury podczas przemiany.** Podczas topnienia lub wrzenia czystej substancji przy stałym ciśnieniu temperatura pozostaje stała do zakończenia przemiany. 3. **Mieszanie kJ i J.** Przed dodawaniem energii ujednolić jednostki. 4. **Użycie niewłaściwego ciepła właściwego.** Lód, woda i para wodna mają różne wartości cc. 5. **Założenie, że cały lód się stopi.** Najpierw trzeba sprawdzić, czy dostępna energia wystarcza na stopienie całej masy. 6. **Założenie, że woda zawsze wrze w 100∘C100^\circ\text{C}.** Ta wartość dotyczy ciśnienia normalnego. ### Jak rozwiązywać zadania wieloetapowe? Krok 1: Ustal stan początkowy i końcowy ciała oraz temperatury przemian. Krok 2: Rozpisz proces na etapy. Dla ogrzewania lub chłodzenia użyj: Q=mcΔTQ=mc\Delta T a dla przemiany fazowej: Q=mLQ=mL Krok 3: Zsumuj energie wszystkich etapów. Jeżeli zadanie dotyczy wymiany ciepła między ciałami, zastosuj bilans: Qoddane=QpobraneQ_{\text{oddane}}=Q_{\text{pobrane}} Krok 4: Podstaw wartości dopiero po zapisaniu i ewentualnym przekształceniu wzorów. Sprawdź jednostki oraz sens fizyczny wyniku. ### Czy cały lód się stopi? Jeżeli lód ma temperaturę 0∘C0^\circ\text{C}, porównaj ciepło dostępne w układzie z energią potrzebną do stopienia lodu: Qtopnienia=mlLtQ_{\text{topnienia}}=m_lL_t Jeżeli dostępne ciepło jest mniejsze, część lodu pozostanie, a temperatura końcowa mieszaniny wyniesie 0∘C0^\circ\text{C}.