Změny typů stavů a ​​jejich charakteristiky (s příklady)



změny stavu jedná se o termodynamický jev, kde hmota podléhá reverzibilním fyzickým změnám. Říká se, že je termodynamický, protože dochází k přenosu tepla mezi hmotou a okolím; nebo co je stejné, existují interakce mezi hmotou a energií, které indukují přeskupení částic.

Částice, které zažijí změnu stavu, zůstávají stejné před a po něm. Tlak a teplota jsou důležité proměnné v tom, jak jsou umístěny v jedné nebo druhé fázi. Když nastane změna stavu, vytvoří se dvoufázový systém, skládající se ze stejného materiálu ve dvou různých fyzikálních stavech.

Horní obrázek ukazuje hlavní změny stavu, které materiál za normálních podmínek zaznamenal.

Pevná kostka modravé látky se může stát kapalnou nebo plynnou v závislosti na teplotě a tlaku okolí. Sama o sobě představuje pouze jednu fázi: tuhou. V okamžiku tání, tj. Tání, se ustaví rovnováha mezi pevnou látkou a kapalinou zvanou fúze (červená šipka mezi krychlí a modravou kapkou).

Aby došlo ke fúzi, musí kostka absorbovat teplo ze svého okolí, aby zvýšila svou teplotu; jedná se tedy o endotermní proces. Jakmile je kostka úplně roztavena, je zde opět jen jedna fáze: kapalná.

Tato modravá kapka může i nadále absorbovat teplo, což zvyšuje jeho teplotu a vede k tvorbě plynných bublin. Opět existují dvě fáze: jedna kapalina a druhý plyn. Když se veškerá kapalina odpařila přes bod varu, pak se říká, že se vaří nebo odpařuje.

Namodralé kapky se proměnily v mraky. Dosud byly všechny procesy endotermické. Namodralý plyn může dále absorbovat teplo až do zahřátí; vzhledem ke suchozemským podmínkám má však naopak tendenci ochlazovat a kondenzovat v kapalině (kondenzaci).

Na druhou stranu mohou být mraky také ukládány přímo na pevnou fázi, opět tvořící pevnou kostku (depozici). Tyto poslední dva procesy jsou exotermní (modré šipky); to znamená, že uvolňují teplo do okolního prostředí.

Kromě kondenzace a depozice dochází ke změně stavu, kdy modravá kapka mrzne při nízkých teplotách (tuhnutí).

Index

  • 1 Typy změn stavu a jejich charakteristiky
    • 1.1 Fúze
    • 1.2 Odpařování
    • 1.3 Kondenzace
    • 1.4 Solidifikace
    • 1.5 Sublimace
    • 1.6 Depozice
  • 2 Další změny stavu
  • 3 Odkazy

Typy změn stavu a jejich charakteristiky

Obraz ukazuje typické změny pro tři (nejběžnější) stavy hmoty: pevné, kapalné a plynné. Změny doprovázené červenými šipkami jsou endotermické, zahrnují absorpci tepla; zatímco ty doprovázené modrými šipkami jsou exotermické, uvolňují teplo.

Níže je uveden stručný popis každé z těchto změn, zdůrazňující některé její vlastnosti z molekulárního a termodynamického uvažování.

Fúze

V pevném stavu jsou částice (ionty, molekuly, shluky atd.) "Vězni", umístěni v pevných pozicích prostoru, aniž by se mohli volně pohybovat. Jsou však schopny vibrovat na různých frekvencích, a pokud jsou velmi silné, přísný řád uvalený intermolekulárními silami se začne "rozpadat"..

V důsledku toho se získají dvě fáze: jedna, kde částice zůstanou uzavřené (pevné), a druhé, kde jsou více volné (kapalné), dostatečné pro zvětšení vzdáleností, které je od sebe oddělují. Aby toho bylo dosaženo, musí pevná látka absorbovat teplo, a tak její částice budou vibrovat s větší silou.

Z tohoto důvodu je fúze endotermní, a když začíná, je řečeno, že nastává rovnováha mezi fázemi pevné látky a kapaliny.

Teplo, které je nezbytné pro vznik této změny, se nazývá entalpie tavení nebo entalpie tání (AH)Fus). To vyjadřuje množství tepla (energie v jednotkách kJ hlavně), které musí absorbovat jeden mol látky v pevném stavu, aby se roztavilo, a ne jednoduše zvýšit jeho teplotu.

Sněhová koule

S tímto vědomím chápete, proč se sněhová koule roztaví v ruce (horní obrázek). To absorbuje tělesné teplo, které je dostatečné ke zvýšení teploty sněhu nad 0 ° C.

Ledové krystaly přítomné ve sněhu absorbují teplo, aby se roztavily, a aby jejich molekuly vody přijaly nepořádnější strukturu. Zatímco sníh sníží, vytvořená voda nezvýší jeho teplotu, protože veškeré teplo z ruky je používáno sněhem k dokončení jeho roztavení..

Odpařování

Pokračování s příkladem vody, nyní umístění hrst sněhu v hrnci a osvětlení ohně, to je pozorováno, že sníh se rychle roztaví. Jak se voda ohřívá, uvnitř se tvoří malé bubliny oxidu uhličitého a dalších možných plynných nečistot..

Teplo rozšiřuje neuspořádané konfigurace vody molekulárně, rozšiřuje jeho objem a zvyšuje tlak par; proto existuje několik molekul, které unikají z povrchového produktu zvyšujícího se odpařování.

Kapalná voda pomalu zvyšuje svou teplotu díky vysokému specifickému teplu (4.184 J / ° C ∙ g). Tam přijde bod kde teplo absorbovalo už ne používá to zvýšit jeho teplotu, ale začít kapalina-rovnováha rovnováhy; to je, to začne vařit a celá kapalina půjde do plynného stavu zatímco absorbuje teplo a udržování konstantní teploty.

Zde se pozoruje intenzivní probublávání na povrchu vařené vody (horní obrázek). Teplo absorbované kapalnou vodou tak, že tlak par jeho počátečních bublinek se rovná vnějšímu tlaku, se nazývá entalpie odpařování (ΔHVap).

Úloha tlaku

Tlak je také rozhodující při změnách stavu. Jaký je jeho vliv na odpařování? Při vyšším tlaku, tím větší je teplo, které musí voda absorbovat do varu, a proto se odpařuje nad 100 ° C.

Je to proto, že zvýšení tlaku brání úniku molekul vody z kapaliny do plynné fáze.

Tlakové hrnce využívají tuto skutečnost ve svůj prospěch k ohřevu potravin ve vodě na teplotu vyšší než je teplota varu.

Na druhé straně, protože dochází k podtlaku nebo poklesu tlaku, kapalná voda potřebuje k varu nižší teplotu a přechod do plynné fáze. Při velkém nebo malém tlaku musí voda v době varu absorbovat své teplo odpařování, aby dokončila svou změnu stavu.

Kondenzace

Voda se odpařila. Co bude dál? Vodní pára může stále zvyšovat svou teplotu a stát se nebezpečným proudem, který může způsobit těžké popáleniny.

Předpokládejme však, že místo toho chladí. Jak? Uvolnění tepla do životního prostředí a uvolňování tepla se říká, že dochází k exotermickému procesu.

Při uvolňování tepla se vysoce energetické molekuly plynné vody začínají zpomalovat. Také jejich interakce začnou být účinnější, když teplota páry klesá. První kapky vody se budou tvořit, kondenzovat z páry, následované většími kapičkami, které nakonec přitahují gravitace.

Chcete-li zcela odpařit určité množství par, musíte uvolnit stejnou energii, ale s opačným znaménkem, k AHVap; tj. jeho entalpie kondenzace ΔHPodm. Inverzní rovnováha, pára-kapalina je tedy stabilní.

Mokrá okna

Kondenzaci lze pozorovat v oknech domů. V chladném podnebí se vodní pára uvnitř domu srazí s oknem, které má díky svému materiálu nižší teplotu než jiné povrchy.

Tam je snazší seskupit molekuly par, čímž se vytvoří tenká bělavá vrstva, kterou lze snadno odstranit ručně. Vzhledem k tomu, že tyto molekuly uvolňují teplo (ohřívají sklo a vzduch), začínají tvořit četnější shluky, dokud nemohou kondenzovat první kapky (horní obrázek).

Když kapky zvětší jejich velikost velmi, oni sklouznou oknem a zanechají brázdu vody.

Solidifikace

Z tekuté vody, jakou jinou fyzickou změnu můžete utrpět? Tuhnutí v důsledku chlazení; jinými slovy, zamrzne. Pro zamrznutí musí voda uvolnit stejné množství tepla, které led absorbuje a roztavit. Toto teplo se opět nazývá entalpie tuhnutí nebo zmrazení, AHCong (-HHFus).

Když se ochladí, molekuly vody ztratí energii a jejich intermolekulární interakce se stanou silnějšími a směrovými. V důsledku toho jsou uspořádány podle vodíkových vazeb a tvoří tzv. Ledové krystaly. Mechanismus, kterým rostou ledové krystaly, má vliv na jejich vzhled: průhledný nebo bílý.

Pokud krystaly ledu rostou velmi pomalu, neuzavírají nečistoty, jako jsou plyny, které se při nízkých teplotách solubilizují ve vodě. Tak bubliny unikají a nemohou se světlem komunikovat; a následkem toho je led tak transparentní, jako je tomu u mimořádné ledové sochy (top image).

Totéž se děje s ledem, může se to stát s jinou látkou, která ztuhne ochlazením. Možná je to nejsložitější fyzikální změna v pozemských podmínkách, protože lze získat několik polymorfů.

Sublimace

Může voda sublimovat? Ne, alespoň ne za normálních podmínek (T = 25 ° C, P = 1 atm). Aby došlo k sublimaci, tj. Ke změně stavu z pevné látky na plyn, musí být tlak par pevné látky vysoký.

Je také důležité, aby jejich mezimolekulární síly nebyly příliš silné, pokud by se skládaly pouze z rozptylových sil

Nejvýznamnějším příkladem je pevný jod. Jedná se o krystalickou tuhou šedavě purpurovou barvu, která má vysoký tlak par. To je tak, že při jeho působení se uvolňuje fialová pára, jejíž objem a expanze jsou patrné při zahřívání.

Horní obrázek ukazuje typický experiment, kdy se pevný jod odpaří ve skleněné nádobě. Je zajímavé a zarážející pozorovat, jak jsou fialové páry rozptýleny, a iniciovaný student může ověřit absenci tekutého jodu..

To je hlavní charakteristika sublimace: není přítomna kapalná fáze. To je také endothermic, protože pevná látka absorbuje teplo zvýšit jeho tlak páry odpovídat vnějšímu tlaku.

Depozice

Paralelně s experimentem sublimace jodu máme jeho depozici. Depozice je opačná změna nebo přechod: látka přechází z plynného stavu na pevnou látku bez tvorby kapalné fáze.

Když se fialové jódové páry dostanou do styku se studeným povrchem, uvolňují teplo, aby ho zahřály, ztrácí energii a přeskupují své molekuly zpět do šedé purpurové pevné látky (horní obraz). Je to potom exotermický proces.

Depozice je široce používána pro syntézu materiálů, kde jsou dopovány atomy kovů sofistikovanými technikami. Je-li povrch velmi chladný, je výměna tepla mezi ním a částicemi páry náhlá, vynechává průchod příslušnou kapalnou fází..

Teplo nebo entalpie depozice (a ne vklad) je inverzní sublimace (AHSub= - AHDep). Teoreticky, mnoho látek může být sublimováno, ale k dosažení tohoto cíle je nutné manipulovat s tlaky a teplotami, kromě toho musíte mít svůj diagram P vs T po ruce; ve kterých mohou být vizualizovány jeho vzdálené možné fáze.

Další změny stavu

Ačkoliv o nich není žádná zmínka, existují další stavy hmoty. Někdy se vyznačují tím, že mají „trochu každého z nich“, a proto jsou jejich kombinací. Pro jejich generování je třeba manipulovat s tlaky a teplotami na velmi kladných (velkých) nebo negativních (malých) veličinách.

Například, jestliže jsou plyny zahřívány nadměrně, ztrácejí své elektrony a jejich kladně nabitá jádra v tom, že negativní příliv bude představovat to, co je známo jako plazma. To je synonymní s “elektrickým plynem”, protože to má vysokou elektrickou vodivost.

Na druhou stranu, přílišným snížením teplot se může hmota chovat nečekaně; tj. vykazují jedinečné vlastnosti kolem absolutní nuly (0 K).

Jednou z těchto vlastností je superfluidita a supravodivost; stejně jako vytvoření Bose-Einstein kondenzuje, kde všechny atomy se chovají jako jeden.

Dokonce i některé výzkumné body ukazují na fotonickou hmotu. V nich jsou částice elektromagnetického záření, fotony, seskupeny do podoby fotonických molekul. To znamená, že by teoreticky dávala tělesům světla hmotu.

Odkazy

  1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19. listopadu 2018). Seznam fázových změn mezi jednotlivými státy. Citováno z: thoughtco.com
  2. Wikipedia. (2019). Stav věci Zdroj: en.wikipedia.org
  3. Dorling Kindersleyová. (2007). Změna států. Zdroj: factmonster.com
  4. Meyers Ami. (2019). Fázová změna: Odpařování, kondenzace, zmrazování, tání, sublimace a ukládání. Studie. Zdroj: study.com
  5. Bagley M. (11. dubna 2016). Věc: Definice a pět hmotných států. Zdroj: livescience.com
  6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemie (8. vydání). CENGAGE Učení.