Ciecz-stany skupienia; zmiany cieplne zachodzące między trzema stanami skupienia.

Tematy mojej pracy to:

1.Trzy stany skupienia cieczy.
2. Zmiany cieplne zachodzące miedzy trzema stanami skupienia:
a) topnienie
b) krzepnięcie
c) parowanie
d) wrzenie
e) skraplanie
f) sublimacja
g) resublimacja
3. Prawa rządzące przemianami cieplnymi
4. Co się dzieje z ciepłem w poszczególnych przemianach?
5. Na czym polega wyjątkowa rozszerzalność wody?

Ad.1 Trzy stany skupienia cieczy.

Wyróżniamy trzy podstawowe stany skupiania: Stały, ciekły i gazowy.

a) ciało stałe ? ciało wyróżniające się uporządkowanym układem atomów (cząsteczek), które tworzą stałą strukturę zwaną ?siecią krystaliczną?. Do ciał stałych zaliczamy lód, węgiel, drewno, sól i cukier. Kawałek ciała stałego można zginać lub rozciągać, jednak nie może ono zbytnio zmienić swej postaci. Ciała stałe mają swój określony kształt.

b) ciecz ? ciało o określonej objętości, lecz bez określonej postaci (wskutek braku sprężystości). W odróżnieniu od gazów cząsteczki cieczy silnie oddziaływają wzajemnie.

c) gaz ? ciało lotne w temperaturze wyższej od temperatury krytycznej. Nie ma własnego kształtu i objętości (przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje)

Ad.2 Zmiany cieplne zachodzące miedzy trzema stanami skupienia:
a) topnienie - przemiana fazowa, polegająca na przejściu substancji ze stanu stałego w stan ciekły. Przy zjawisku topnienia należy pamiętać o odwracalności zjawisk w przyrodzie i łączyć je ze zjawiskiem krzepnięcia. Oznaczana eksperymentalnie temperatura topnienia nie zawsze jednak odpowiada ściśle temperaturze krzepnięcia. Wynika to m.in. z wpływu zanieczyszczeń, szybkości schładzania/ogrzewania, problemów z krystalizacją oraz ze zjawisk powierzchniowych i międzyfazowych. Dla każdego idealnie czystego pierwiastka i większości związków chemicznych, przy określonym ciśnieniu można wyznaczyć jedną, ściśle określoną temperaturę topnienia, która zarazem jest też jej temperaturą krzepnięcia. Pomiary takie wykonuje się na bardzo małych próbkach i przy jak najwolniejszym tempie zmiany temperatury. Niektóre związki chemiczne nie topią się w ogóle, gdyż rozkładają się przed osiągnięciem temperatury topnienia. W przypadku mieszanin związków chemicznych i związków o bardzo wysokich masach cząsteczkowych (polimery, bipolimery), wyznaczanie jednej temperatury topnienia jest niewykonalne, gdyż proces ten jest dla takich substancji bardzo złożony. W przypadku polimerów, kompozytów i stopów metali bardzo często zamiast mówić o temperaturze topnienia, mówi się raczej o zakresie temperatur mięknięcia. Z punktu widzenia termodynamiki topnienie jest przemianą fazową I rodzaju, co oznacza w praktyce, że nie może zachodzić bez wymiany ciepła. Procesy topnienia prowadzone pod stałym ciśnieniem mają zawsze charakter endotermiczny, co oznacza, że do ich zajścia konieczne jest dostarczenie z zewnątrz określonej porcji energii termicznej. Na co dzień można to zaobserwować wrzucając kostkę lodu do wody. Obliczając, jaka powinna być temperatura wody po całkowitym rozpuszczeniu lodu z samej tylko różnicy temperatur, masy i pojemności cieplnej obu substancji, uzyskuje się wynik wyższy niż rzeczywiście zmierzony o różnicę samego ciepła topnienia. Skuteczność chłodzenia wody przez lód nie wynika, zatem tylko z różnicy temperatur wody i lodu, lecz także z faktu endotermiczności procesu topnienia lodu.

b) Krzepnięcie - proces przechodzenia ciała ze stanu ciekłego w stan stały. Krzepnięcie wielu substancji zachodzi w określonej temperaturze zwanej temperaturą krzepnięcia (dla wody 0C). W miejscu styku substancji w stanie stałym i stanie ciekłym w cieczy i w ciele stałym podczas krzepnięcia i topnienia jest taka sama temperatura zwana temperaturą topnienia. Temperatura topnienia jest podawana jako wielkość charakterystyczna dla wielu substancji. Temperatura topnienia (krzepnięcia) zależy nieznacznie od ciśnienia. Krzepnięciu towarzyszy wydzielanie ciepła co jest równoważne temu, że krzepnięcie przy stałym ciśnieniu wymaga odprowadzenia ciepła z krzepnącej substancji. Rozpoczęcie krzepnięcia jest uzależnione od obecności w cieczy zarodków krystalizacji lub zanieczyszczeń, na których rozpoczyna się proces tworzenia kryształów- ich brak prowadzi do wystąpienia cieczy o temperaturze niższej niż temperatura krzepnięcia, ciecz taka zwana jest cieczą przechłodzoną. Krzepnięciu roztworów towarzyszy zwykle rozdzielenie na poszczególne składniki. Temperatura krzepnięcia roztworu zależy od stężenia roztworu. Temperatury w której rozpoczyna się krzepnięcie roztworu jest zazwyczaj niższa od temperatury krzepnięcia czystego rozpuszczalnika a dla mieszanin cieczy niższa od temperatur krzepnięcia cieczy składowych. Topnienie ciała zachodzi w stałej temperaturze, którą nazywamy temperaturą topnienia albo punktem topnienia ciała. Krzepnięcie także zachodzi w stałej temperaturze, zwanej temperaturą krzepnięcia. Dla tych samych ciał i w tych samych warunkach temperatura topnienia jest równa temperaturze krzepnięcia. Podczas topnienia cząsteczki ciała stałego oddalają się od siebie (zwiększa się zatem ich energia potencjalna.) Energia ta nie może się wziąć znikąd. Stąd wniosek, że aby stopić ciało, należy dostarczyć mu energię. Energia ta jest zużyta nie do zwiększenia temperatury ciała (o tym mówi ciepło właściwe), lecz do zmiany jego stanu skupienia. Jej ilość jest wprost proporcjonalna do masy substancji.
Ciepłem topnienia substancji nazywamy ilość energii (ciepła), które należy dostarczyć 1kg tej substancji, aby ją stopić (bez zmiany temperatury).

Ciepło topnienia oznaczamy literą ct.
Jego jednostką jest J / kg.

Z kolei podczas krzepnięcia ciału należy odebrać energię. Także w tym przypadku
efektem tego jest zmiana stanu skupienia substancji.
Ciepłem krzepnięcia substancji nazywamy ilość energii (ciepła), które należy odebrać
1kg tej substancji, aby całkowicie skrzepła (bez zamiany temperatury).

Ciepło krzepnięcia oznaczamy ct.
Jego jednostką także jest J / kg.

Dla tej samej substancji i w tych samych warunkach: ct = ck

c) Parowanie - proces zmiany stanu skupienia, przechodzenia z fazy ciekłej danej substancji w fazę gazową (parę) zachodzący z reguły na powierzchni cieczy. Może odbywać się w całym zakresie ciśnień i temperatur, w których mogą współistnieć z sobą obie fazy, ale nasila się w wysokiej temperaturze. Proces parowania jest szybszy również, gdy obniżymy ciśnienie zewnętrzne oraz gdy mamy do czynienia z przepływem gazu względem powierzchni cieczy. Parowanie zachodzi wtedy, gdy cząsteczka ma dostatecznie wysoką energię kinetyczną, by wykonać pracę przeciwko siłom przyciągania między cząsteczkami. Procesem odwrotnym do parowania jest skraplanie pary. Gdy ciśnienie pary nasyconej zrówna się z ciśnieniem otoczenia, wówczas proces parowania - zwany wówczas wrzeniem - zaczyna zachodzić również w całej objętości cieczy. Proces parowania z bezpośrednim przejściem pomiędzy fazą stała a parą nazywamy sublimacją. Przemiany fazowe związane z parowaniem i sublimacją opisuje równanie Clapeyrona.

d) Wrzenie? zjawisko przemiany cieczy w gaz (parę), podczas którego powstają i rosną pęcherzyki pary nasyconej w objętości, a nie tylko na powierzchni cieczy. Dlatego mówi się, że wrzenie, to parowanie całą objętością. Wrzenie wymaga dostarczania energii do wrzącego ciała dlatego jest to przejściem fazowym pierwszego rodzaju. Przy wrzeniu cieczy w naczyniu, w którym ścianki są powierzchniami grzejnymi, nierówności ścianek i zanieczyszczenia znajdujące się w cieczy stanowią zarodki na których powstają właściwe pęcherzyki pary. Przy występowaniu grawitacji powstające pęcherze z parą unoszą się ku górze i po wypłynięciu na powierzchnię cieczy pękają, a zawarta w nich para przechodzi do przestrzeni nad cieczą. Wrzenie jest możliwe przy odpowiednim ciśnieniu w każdej temperaturze, w której może istnieć ciecz, czyli między punktem potrójnym a punktem krytycznym. Przy danym ciśnieniu zewnętrznym wrzenie cieczy zachodzi w określonej temperaturze, zwanej temperaturą wrzenia. Wzrost ciśnienia zewnętrznego powoduje wzrost temperatury wrzenia gdyż ciśnienie pary musi się zrównać z ciśnieniem zewnętrznym, co wymaga podwyższenia temperatury. Przy ciśnieniu atmosferycznym woda wrze w temperaturze 100 C. Ciśnienie w pęcherzyku pary jest większe od ciśnienia nad cieczą, wpływa na to ciśnienie hydrostatyczne cieczy oraz napięcie powierzchniowe cieczy. Napięcie powierzchniowe (?) wywołuje przyrost ciśnienia (?p) zależny od promienia (r) pęcherzyka (?p=2??/r). Istnienie (powstanie) pęcherzyka o danym promieniu jest możliwe pod warunkiem, że temperatura cieczy przekroczy temperaturę równowagi ciecz-gaz przy ciśnieniu w hipotetycznym pęcherzyku, dlatego temperatura we wrzącej cieczy i stykającym się z nią gazie nie jest jednakowa. Ciecz w pobliżu podgrzewanej ścianki ma temperaturę większą od temperatury wrzenia (dla wody w odległości 1mm od ścianki temperatura może być nawet o 10C wyższa od temperatury wrzenia, a w odległości 1cm ? do 0,5C). Wrzenie czystej cieczy w naczyniu o gładkich ściankach rozpoczyna się w wyższej temperaturze. Ciecz o temperaturze większej od temperatury wrzenia jest nazywana cieczą przegrzaną. Dodanie do niej zarodków powoduje powstanie pęcherzy pary. Zarodkami są też zjonizowane obszary cieczy, zjawisko to wykorzystano w komorze pęcherzykowej do obrazowania śladów cząsteczek jonizujących.

e) Skraplanie lub kondesacja - to zjawisko zmiany stanu skupienia, przejścia substancji z fazy gazowej w fazę ciekłą. Skraplanie może zachodzić przy odpowiednim ciśnieniu i w temperaturze niższej od temperatury krytycznej. Zestaw parametrów; ciśnienie i temperatura, dla których rozpoczyna się proces skraplania nazywany jest punktem rosy. Kondesacja wiąże się ze zmniejszeniem odległości miedzy cząsteczkami substancji. Spadek temperatury powoduje, że cząsteczki poruszają się wolniej. Siły oddziaływania między nimi wzrastają, aż do momentu uzyskania nowego stanu równowagi. Przy tym zachodzi wydzielanie energii w postaci ciepła. Cząsteczki tworzą zwartą masę, jednak nie powstają między nimi trwałe wiązania charakterystyczne dla ciał stałych. Proces skraplania zachodzi inaczej, gdy w gazie znajdują się zanieczyszczenia. Mogą one być zarodkami rodzących się kropel lub utrudniać powstawanie cieczy. Zależności fizyczne opisujące kondesację mają bardzo skomplikowane rozwiązania. Jeżeli jakieś zjawisko jest bardzo zależne od procesu skraplania, to niesamowicie trudno jest symulować jego przebieg. Problem ten utrudnia budowanie wiarygodnych prognoz pogody, w której procesy skraplania wody i tworzenia chmur odgrywają zasadniczą rolę.

f) Sublimacja to proces przejścia substancji ze stanu stałego w stan gazowy z pominięciem stanu ciekłego. Sublimacja jest rodzajem parowania i może zachodzić w całym zakresie temperatur i ciśnień, w których dana substancja może współistnieć w stanie stałym i gazowym (zazwyczaj jest to temperatura i ciśnienie niższe od punktu potrójnego, a w temperaturze niższej od temperatury topnienia i temperatury punktu potrójnego przy dowolnym ciśnieniu). Na szybkość sublimacji wpływa temperatura oraz różnica ciśnienia pary nasyconej i pary w otoczeniu fazy stałej. Szybkość sublimacji jest zazwyczaj niewielka ze względu na niską temperaturę i małą prężność pary nasyconej dla wielu substancji, dodatkowo szybkość sublimacji ograniczają zanieczyszczenia powierzchni fazy stałej. Sublimacja wody (lodu) występuje w przyrodzie, gdy zimne (o temperaturze niższej od 0?C) i suche powietrze przepływając nad wodą w stanie stałym (lodem, śniegiem, szronem) powoduje przechodzenie wody w stan gazowy. Dwutlenek ma ciśnienie punktu potrójnego większe od ciśnienia atmosferycznego, dlatego pozostawienie zestalonego dwutlenku węgla (suchy lód) na powietrzu powoduje jego sublimację (lód zanika a nie topi się).Kamfora jest substancją, która ma dużą szybkość sublimacji w temperaturze pokojowej, dlatego powstało powiedzenie ?Znikł jak kamfora?. Sublimację stosuje się w technice szeroko do oczyszczania substancji stałych, lub otrzymywania substancji w postaci drobnych kryształków (np. siarka sublimowana zwana kwiatem siarczanym). Zjawisko odwrotne do sublimacji to resublimacja.
g) Resublimacja ? bezpośrednie przechodzenie substancji z fazy gazowej (pary) w fazę stałą (przejście fazowe).Resublimacja jest procesem odwrotnym do sublimacji. W wyniku resublimacji wody (pary wodnej) powstaje śnieg i szron. Resublimacja, w połączeniu z sublimacją lub parowaniem, jest wykorzystywana do oczyszczania lub rozdzielania substancji, do otrzymywania substancji w postaci drobnych kryształków.

Ad.3 Prawa rządzące przemianami cieplnymi.
Stan skupienia występujących w przyrodzie ciał zależy od oddziaływań międzycząsteczkowych oraz od warunków zewnętrznych, zwłaszcza od temperatury i ciśnienia.

Ad.4 Co się dzieje z ciepłem w poszczególnych przemianach?
Przejścia fazowe pomiędzy stanem stałym i ciekłym (topnienie i krzepnięcia) zachodzą w stałej temperaturze. Ilość ciepła Q pobierana przy topnieniu jest wprost proporcjonalna do masy m topionego ciała i zależna od jego rodzaju.
Do stopienia o masie m należy dostarczyć energię (ciepło): Q= m L, gdzie L oznacza ciepło topnienia, czyli ilości energii niezbędnej do stopnienia jednostki masy.
Parowanie i skraplanie danej cieczy może zachodzić w każdej temperaturze, temperaturze podczas wrzenia temperatura cieczy pozostaje stała.
Aby odparować (skroplić) masę m należy dostarczyć (odprowadzić) energię: Q=mr, gdzie r oznacza ciepło parowania (skraplania).

Ad. 5 Na czym polega wyjątkowa rozszerzalność wody?
Rozszerzalność temperaturowa (cieplna, termiczna) ciał, to zjawisko polegające zwiększaniu objętości ciał fizycznych w miarę wzrostu temperatury i zmniejszanie ich na objętości w miarę jej obniżania. Wyjątek stanowi woda, która pod wpływem niskich temperatur zwiększa swą objętość. Zjawisko to nazywa się anormalnym rozszerzaniem.wody.
Ponad 97% światowych zasobów wody zgromadzone jest w oceanach, 2% uwięzione jest w czaszach lodowcowych i lodowcach. Wody podziemne to zaledwie 0,6%, rzeki i jeziora 0,2%, a para wodna zawarta w atmosferze, z części której powstają opady, stanowi tylko 0,001%. Koryta rzek i jeziora powstały właśnie wskutek anomalnej rozszerzalności temperaturowej wody. Woda, która znajdowała się w danym miejscu, zamarzła wskutek niskiej temperatury zwiększając swą objętość i tworząc koryta.
Rozszerzalność temperaturowa ciał jest bardzo ważna w życiu człowieka. Dzięki wiedzy o tym zjawisku naukowcy i inżynierowie mogą konstruować wiele pożytecznych przedmiotów, oraz chronić ludzi przed różnymi niebezpieczeństwami.
Wszyscy wiemy, że w zimie zamarzająca woda zwiększa swoją objętość i może spowodować np. awarię wodociągów. Pękniętą rurę trzeba wymienić, co wiąże się z pewnymi niewygodami dla mieszkańców i kosztami finansowymi. Istnieje kilka sposobów na zabezpieczenie się przed tym nieszczęściem. Po pierwsze rury powinny być położone na głębokości co najmniej 1,5m. Dobrze jest również rury zaizolować, zwłaszcza gdy z jakichś powodów rury są położone płycej. Natomiast, gdy rury są w nieogrzewanych pomieszczeniach lub wystają na zewnątrz jako np. krany do podlewania ogrodu, to powinno się zakręcić zawory i spuścić wodę. W ten sposób unikniemy awarii wodociągowych.
Pozytywną stroną rozszerzalności temperaturowej cieczy są termometry alkoholowe znajdujące się w naszych domach. Przy wzroście temperatury alkohol znajdujący się w zamkniętej rureczce podnosi się pokazując temperaturę na zaznaczonej skali. Natomiast gdy temperatura spada obniża się również poziom alkoholu. Dzięki temu wiemy jaka jest temperatura w pomieszczeniu lub na zewnątrz. Możemy się wtedy ubrać odpowiednio, nie narażając się na zmarznięcie czy przegrzanie.
Ciała stałe również podlegają temu zjawisku, a lekceważenie go może mieć bardzo przykre konsekwencje, włącznie z utratą życia. Takim przykładem są tory kolejowe, które mają specjalne przerwy dylatacyjne między szynami. Gdyby nie te przerwy, to szyny położone jedna za drugą i dokładnie dopasowane, podczas upałów wyginały by się, nie mogąc znaleźć sobie miejsca. Takie wygięte szyny mogą być przyczyną wykolejenia się pociągu, dlatego pozostawia się kilkucentymetrowe przerwy między nimi, które pozwalają metalowi rozszerzać się i kurczyć. Charakterystyczny stukot kół pociągu spowodowany jest tymi przerwami.
Zjawisko to ma również zastosowanie w czujnikach termicznych w urządzeniach elektrycznych, takich jak podgrzewacz wody (popularna terma ) termo wentylatory, piecyki elektryczne lub czajnik. Czujniki zapobiegają przegrzaniu, a w konsekwencji pożarom ,a nawet wybuchom, np. termy ogrzewającej wodę. Para wodna tworząca się w szczelnym bojlerze i nie mająca ujścia doprowadzić może do wybuchu i ruiny domu. Dobrze działający czujnik podgrzewa wodę do wybranej temperatury i wyłącza dopływ prądu zapobiegając ?zagotowaniu się? wody.
Zjawisko rozszerzalności temperaturowej gazów wykorzystana została przy konstruowaniu balonu na ogrzane powietrze. Pierwszy balon na ogrzane powietrze został zbudowany przez braci Josepha Michaela i Jacquesa Etienne?a Montgolfier w 1783 r. Powłoka balonu napełniona jest powietrzem, które ogrzewane jest palnikiem umieszczonym pod nią, najczęściej w gondoli. Ogrzane powietrze unosi balon w górę. Zmniejszanie lub zwiększanie płomienia pozwala sterować nim pilotowi.
Negatywnym przykładem rozszerzalności gazów jest ogrzewanie lub palenie pojemników po dezodorantach aerozolowych. Hermetycznie zamknięty w pojemniku gaz może rozszczelnić pojemnik i spowodować wybuch groźny dla zdrowia osób znajdujących się w pobliżu.
Możemy, więc powiedzieć, że wiedza o zjawisku rozszerzalności temperaturowej ciał jest bardzo potrzebna w życiu codziennym. Dzięki niej unikniemy wielu błędów mogących być źródłem wielu kłopotów, a nawet groźnych w skutkach dla naszego zdrowia i życia. Wiedza ta pomaga tworzyć różne pożyteczne urządzenia, bez których nie wyobrażamy sobie współcześnie życia.


Bibliografia:
1. ?Repetytorium dla kandydatów na akademie medyczne i kierunki przyrodnicze? ? praca zbiorowa pod redakcją Andrzeja Persony
2. Encyklopedia PWN
3. Internet