Zmena skupenstva látok

Zmena skupenstva látok
Ked má sústava v rovnovážnom stave vo všetkých castiach rovnaké fyzikálne a
chemické vlastnosti, napr. rovnakú hustotu, štruktúru, rovnaké chemické zloženie,
nazýva sa fáza. Prechod látky z jednej fázy do druhej sa volá fázová premena.
Topenie a tuhnutie
Ked zohrievame teleso z kryštalickej látky, zvyšuje sa jeho teplota a po dosiahnutí
teploty topenia tt sa premiena na kvapalinu s tou istou teplotou - topí sa. Ked sa teleso
z kryštalickej látky s hmotnostou m a s teplotou topenia premení na kvapalinu s tou
istou teplotou, príjme skupenské teplo topenia Lt. Pre telesá z rozlicných látok tej istej
hmotnosti je táto velicina rôzna. Preto zavádzame velicinu merné skupenské teplo
topenia lt, definované vztahom:
lt = Lt / m [ lt ] = J.kg-1
Ked kvapalinu, ktorá vznikla topením kryštalickej látky, ochladzujeme, mení sa pri
teplote tuhnutia(rovnajúcej sa teplote topenia), na pevné teleso - tuhne. Pritom
odovzdá svojmu okoliu skupenské teplo tuhnutia rovnajúce sa Lt.
Pevné amorfné látky pri zohrievaní postupne mäknú, až sa premenia na kvapalinu.
Preto nemajú stálu teplotu topenia.
Ked kryštalická látka prijíma teplo, zväcšuje sa stredná kinetická energia kmitavého
pohybu castíc. Castice zväcšujú rozkmity, cím sa zväcšuje aj stredná vzdialenost medzi
nimi. V dôsledku toho sa zväcšuje aj stredná potenciálna energia castíc. Ked látka
dosiahne teplotu topenia, nadobúdajú rozkmity castíc také hodnoty, že sa narušuje
väzba medzi casticami mriežky; mriežka sa zacne rozpadávat, látka sa topí. V
rozlicných kryštalických látkach sú väzbové sily medzi casticami rozlicne velké. Preto
každá kryštalická látka sa zacne topit pri danom vonkajšom tlaku, pri celkom urcitej
teplote. Hoci kryštalická látka pri topení prijíma skupenské teplo, nemení sa stredná
kinetická energia castíc, a tým ani teplota látky. Zväcšuje sa však stredná potenciálna
energia castíc. To znací, že pri teplote topenia je vnútorná energia roztaveného telesa
väcšia, ako vnútorná energia toho istého telesa v kryštalickom stave pri rovnakej
teplote. Ked sa všetka látka roztopí a prijíma dalšie teplo, opät sa zväcšuje stredná
kinetická energia castíc a preto sa teplota kvapaliny zvyšuje.
Ked kvapalina, ktorá vznikla topením kryštalickej látky, odovzdáva teplo chladnejším
telesám, ktorú je obklopujú, zmenší sa stredná kinetická energia castíc, a tým aj
teplota látky. Ak dosiahne teplotu tuhnutia, zacnú sa v kvapaline vplyvom väzbových síl
tvorit kryštalizacné jadrá, tzv.
zárodky.
Krivka topenia Pri skúmaní závislosti teploty topenia kryštalickej látky od vonkajšieho
tlaku sa zistilo, že pri väcšine látok sa pri zvýšenom tlaku zvyšuje aj teplota topenia.
Niektoré látky, napr. lad, antimón, bizmut a niektoré zliatiny, naopak zvýšením
vonkajšieho tlaku majú teplotu topenia nižšiu, ako mali pred zvýšením tlaku. Grafické
znázornenie závislosti teploty topenia od tlaku sa volá krivka topenia.
Na obrázku A je táto krivka znázornená pre tuhé látky typu olovo, na obrázku B pre
látky typu lad H2O. Každý bod krivky topenia znázornuje tiež rovnovážny stav tuhej a
kvapalnej fázy istej látky. Napríklad pri normálnom tlaku a teplote 0°C sú v
rovnovážnom stave voda a lad. Krivka topenia zacína v bode A, ktorému zodpovedá
najmenší možný tlak, pri ktorom sú ešte kvapalina a tuhá látka v rovnováhe.
Kedže teploty topenia rôznych látok závisia od tlaku, udávajú sa v tabulkách pri
normálnom tlaku a nazývajú sa normálne teploty topenia.
Látky, pri ktorých sa so zvyšujúcich tlakom zvyšuje teplota topenia, svoj objem pri
topení zväcšujú a pri tuhnutí zmenšujú. Látky, ktoré pri zvýšení tlaku svoju teplotu
topenia znižujú, svoj objem pri topení zmenšujú a pri tuhnutí zväcšujú.
Sublimácia
Premena látky z pevného skupenstva priamo na plynné skupenstvo sa volá sublimácia.
Opacný dej je desublimácia. Pri normálnom tlaku sublimuje napr. jód, gáfor, naftalín,
tuhý oxid uhlicitý, lad alebo sneh. Rovnako všetky vonajúce alebo páchnuce pevné
látky sublimujú. Príkladom desublimácie je vznik drobných kryštálikov jódu z jódových
pár.
Merné skupenské teplo sublimácie ls, je definované vztahom ls= Ls / m, kde Ls je
skupenské teplo sublimácie prijaté látkou s hmotnostou m na jej sublimáciu pri danej
teplote. Merné skupenské teplo sublimácie závisí od teploty, pri ktorej látka sublimuje.
Ked je sublimujúca látka s dostatocnou hmotnostou v uzavretej nádobe, sublimuje tak
dlho, až sa medzi pevnou fázou a parou utvorí rovnovážny stav. Vzniknutá para sa
nazýva nasýtená para. Ked je teplota konštantná, pomer hmotnosti plynného a
pevného skupenstva zostáva konštantný a tlak nasýtenej pary vzniknutý sublimáciou
sa nemení.
Závislost tlaku nasýtenej pary od teploty vyjadruje sublimacná krivka. Každý bod
tejto krivky súcasne znázornuje rovnovážne stavy medzi pevnou látkou a jej
nasýtenou parou. Sublimacná krivka sa koncí v bode A, v ktorom sa zacína krivka
topenia tej istej látky.
Vyparovanie a var. Kvapalnenie
Vyparovanie - premena kvapaliny na paru. Na rozdiel od topenia prebieha vyparovanie
z volného povrchu kvapaliny pri každej teplote.
Ked chceme kvapalinu s danou hmotnostou premenit na paru s rovnakou teplotou,
musí kvapalina prijat skupenské teplo vyparovania Lv. Merné skupenské teplo
vyparovania vypocítame lv = Lv / m, jednotkou tejto veliciny je J.kg-1. Z meraní
vyplýva, že so zvyšujúcou teplotou kvapaliny merné skupenské teplo vyparovania
klesá.
Ked kvapalinu zohrievame, pozorujeme, že pri dosiahnutí istej teploty pri danom
okolitom tlaku sa vnútri kvapaliny tvoria bubliny pary, ktoré zväcšujú svoj objem a
vystupujú na volný povrch kvapaliny. Tento osobitný prípad vyparovania kvapaliny
nazývame var. Pri vare sa vyparuje nielen na volnom povrchu, ale aj vo vnútri.
Teplota tv, pri ktorej za daného vonkajšieho tlaku nastáva var kvapaliny, nazýva sa
teplota varu. Teplota varu závisí od vonkajšieho tlaku. So zvyšovaním tlaku sa zvyšuje.
Normálna teplota varu niektorých látok je v MFChT.
Merné skupenské teplo varu sa rovná mernému skupenskému teplu vyparovania pri
teplote varu kvapaliny.
Z hladiska molekulovej fyziky vysvetlujeme vyparovanie kvapaliny takto: Molekuly
kvapaliny konajú tepelný pohyb. Ked niektoré molekuly majú na volnom povrchu
kvapaliny takú energiu, že sú schopné prekonat sily, ktoré ich pútajú k ostatným
molekulám, potom tieto molekuly uniknú do priestoru nad kvapalinu a utvoria paru.
Para je plynné skupenstvo. Ak je volný povrch kvapaliny v styku so vzduchom,
vzniknutá para difunduje do okolitého vzduchu.
Niektoré molekuly v dôsledku neusporiadaného pohybu sa vracajú znovu do kvapaliny.
Pri vyparovaní kvapaliny v otvorenej nádobe je však pocet týchto molekúl vždy menší
ako pocet molekúl, ktoré v rovnakom case z kvapaliny unikajú.
Kedže pri vyparovaní kvapaliny opúštajú najrýchlejšie molekuly, zmenšuje sa stredná
kinetická energia molekúl kvapaliny, co má za následok zníženie teploty vyparujúcej sa
kvapaliny. Teplota vzniknutej pary sa však rovná teplote kvapaliny, lebo molekuly pri
opustení kvapaliny vplyvom prítažlivých síl strácajú svoju prebytocnú kinetickú energiu.
Majú však väcšiu potenciálnu energiu. Preto vnútorná energia pary s danou je väcšia
ako vnútorná energia kvapaliny s rovnakou hmotnostou a teplotu.
Opacný dej k vyparovaniu je kvapalnenie (kondenzácia). Pri tomto deji látka odovzdá
svojmu okoliu skupenské kondenzacné teplo. Merné skupenské kondenzacné teplo sa
rovná mernému skupenskému teplu vyparovania rovnakej látky pri rozdielnej teplote.
Krivka nasýtenej pary Sústava v rovnovážnom stave, ktorá sa niekedy volá dynamická
rovnováha. Para, ktorá je v rovnovážnom stave so svojou kvapalinou, nazýva sa
nasýtená para. Tlak nasýtenej pary nezávisí pri stálej teplote od objemu pary.
Kedže tlak nasýtenej pary nezávisí od objemu, neplatí pre nu Boylov - Mariottov zákon,
príp. stavová rovnica ideálneho plynu. Tým sa nasýtená para podstatne odlišuje od
ideálneho plynu. Tlak nasýtenej pary nad kvapalinou so zvyšovaním teploty stúpa.
Ked na základe merania tlaku nasýtenej pary pri rozlicných teplotách zostrojíme graf
závislosti tlaku nasýtenej pary od teploty, dostaneme krivku nasýtenej pary. Táto
závislost nie je lineárna a pre rôzne látky je rozlicná. Zaciatocnému bodu A krivky
prislúcha najmenšia hodnota teploty a tlaku, pri ktorých existuje kvapalina a nasýtená
para v rovnovážnom stave. Pri teplote Tk - kritická teplota, sa hustota kvapaliny rovná
hustote pary. Medzi kvapalinou a jej nasýtenou parou zmizne rozhranie a látka sa
stane rovnorodou. Pri teplote vyššej ako Tk už neexistuje látka v kvapalnej fáze.
Koncový bod krivky nasýtenej pary sa volá kritický bod a znázornuje kritický stav látky.
Teplota varu sa zvyšuje so zväcšovaním vonkajšieho tlaku.
Fázový diagram
Fázový diagram - krivka topenia, sublimácie a nasýtenej pary. Fázový diagram tvorí
krivka topenia kt, krivka nasýtenej pary kp a sublimacná krivka ks. Všetky tri krivky
sa stýkajú v jednom bode A, ktorý sa nazýva trojný bod.
Znázornuje rovnovážny stav pevnej, kvapalnej a plynnej fázy tej istej látky. Teplota
trojného bodu vody je základnou teplotou termodynamickej teplotnej stupnice.
Každý bod krivky topenia znázornuje rovnovážny stav pevnej a kvapalnej fázy; doby
krivky nasýtenej pary znázornujú rozlicné stavy rovnovážnej sústavy kvapalina a
nasýtená para, vrátane kritického stavu látky a body sublimacnej krivky urcujú
rovnovážny stav pevnej látky a jej nasýtenej pary.
Krivky kt, kp, ks, rozdelujú rovinu fázového diagramu na tri oblasti I,II,III. Ked je bod
urcujúci stav látky znázornený v oblasti I, látka je v pevnom skupenstve; body v
oblasti II znázornujú rozlicné stavy kvapaliny. Body, ktoré patria do oblasti III, t.j.
body ležiace pod krivkou nasýtenej pary a sublimácie, zodpovedajú plynnému
skupenstvu látky, ktoré má nižší tlak ako nasýtená para s rovnakou teplotou. Toto
plynné skupenstvo sa volá prehriata para.
Prehriata para je taká, ktorá má menší tlak a hustotu ako nasýtená para s rovnakou
teplotou. Prehriatu paru môžeme získat aj tak, že nasýtenú paru zohrievame bez
prítomnosti kvapaliny.
Pre prehriate pary, ktorých stav je daleko od stavu nasýtených pár, približne platí
stavová rovnica ideálneho plynu.
Prechod z jednej oblasti do druhej vo fázovom diagrame predstavuje vždy dej, pri
ktorom nastáva zmena skupenstva.