Zmeny typov štátu a ich charakteristiky (s príkladmi)



zmeny stavu sú termodynamickým javom, kde hmota podlieha reverzibilným fyzickým zmenám. Hovorí sa, že je termodynamický, pretože dochádza k prenosu tepla medzi hmotou a okolím; alebo čo je rovnaké, existujú interakcie medzi hmotou a energiou, ktoré indukujú preskupenie častíc.

Častice, ktoré zažívajú zmenu stavu, zostávajú rovnaké pred a po ňom. Tlak a teplota sú dôležité premenné v tom, ako sú umiestnené v jednej alebo druhej fáze. Keď nastane zmena stavu, vytvorí sa dvojfázový systém pozostávajúci z rovnakého materiálu v dvoch rôznych fyzikálnych stavoch.

Vrchný obrázok zobrazuje hlavné zmeny stavu materiálu, ktoré materiál za normálnych podmienok zaznamenal.

Tuhá kocka modrastej látky sa môže stať kvapalnou alebo plynnou v závislosti od teploty a tlaku okolia. Sama osebe predstavuje iba jednu fázu: tú pevnú. Ale v momente topenia, t. J. Topenia, sa vytvorí rovnováha tuhá látka-kvapalina nazývaná fúzia (červená šípka medzi kockou a modrastou kvapkou).

Na to, aby došlo k fúzii, musí kocka absorbovať teplo zo svojho okolia, aby zvýšila svoju teplotu; preto ide o endotermický proces. Akonáhle je kocka úplne roztavená, je tu opäť len jedna fáza: kvapalná.

Táto modrastá kvapka môže ďalej absorbovať teplo, čo zvyšuje jeho teplotu a vedie k tvorbe plynných bublín. Opäť existujú dve fázy: jedna kvapalina a druhý plyn. Keď sa všetka kvapalina odparí cez bod varu, potom sa povie, že sa varila alebo odparila.

Namodralé kvapky sa zmenili na mraky. Doteraz boli všetky procesy endotermické. Namodralý plyn môže naďalej absorbovať teplo až do zahriatia; vzhľadom na suchozemské podmienky to však má tendenciu opäť ochladzovať a kondenzovať v kvapaline (kondenzácia).

Na druhej strane, oblaky môžu byť tiež ukladané priamo na pevnú fázu, opäť tvoriacu pevnú kocku (depozíciu). Tieto posledné dva procesy sú exotermické (modré šípky); to znamená, že uvoľňujú teplo do životného prostredia alebo okolia.

Okrem kondenzácie a depozície nastáva zmena stavu, keď modrastá kvapka zamrzne pri nízkych teplotách (tuhnutie).

index

  • 1 Typy zmien stavu a ich charakteristiky
    • 1.1 Fúzia
    • 1.2 Odparovanie
    • 1.3 Kondenzácia
    • 1.4 Solidifikácia
    • 1.5 Sublimácia
    • 1.6 Depozícia
  • 2 Ďalšie zmeny stavu
  • 3 Odkazy

Druhy zmien stavu a ich charakteristiky

Obraz ukazuje typické zmeny pre tri (najbežnejšie) stavy hmoty: tuhé, kvapalné a plynné. Zmeny sprevádzané červenými šípkami sú endotermické, zahŕňajú absorpciu tepla; zatiaľ čo tie sprevádzané modrými šípkami sú exotermické, uvoľňujú teplo.

Nižšie uvádzame stručný opis každej z týchto zmien, pričom zdôrazňujeme niektoré jej vlastnosti z molekulárneho a termodynamického uvažovania.

fúzie

V tuhom skupenstve sú častice (ióny, molekuly, zhluky atď.) "Väzni", ktorí sa nachádzajú v pevných polohách priestoru bez toho, aby sa mohli voľne pohybovať. Sú však schopné vibrovať na rôznych frekvenciách, a ak sú veľmi silné, prísne poradie uložené medzimolekulovými silami sa začne "rozpadať"..

V dôsledku toho sa získajú dve fázy: jedna, kde častice zostanú uzavreté (pevné), a druhé, kde sú voľné (kvapalné), dostatočné na zväčšenie vzdialeností, ktoré ich od seba oddeľujú. Aby sa to dosiahlo, tuhá látka musí absorbovať teplo, a tak jej častice budú vibrovať s väčšou silou.

Z tohto dôvodu je fúzia endotermická a keď sa začína, uvádza sa, že nastáva rovnováha medzi fázami tuhá látka-kvapalina.

Teplo potrebné na vyvolanie tejto zmeny sa nazýva entalpia tavenia alebo entalpia tavenia (AH)FUS). Vyjadruje to množstvo tepla (najmä energie v jednotkách kJ), ktoré musí absorbovať jeden mól látky v pevnom stave, aby sa roztavil, a nie len zvýšiť jeho teplotu.

snehová guľa

S týmto vedomím rozumiete, prečo sa vo vašej ruke topí snehová guľa (vrchný obrázok). To absorbuje telesné teplo, ktoré stačí na zvýšenie teploty snehu nad 0 ° C.

Ľadové kryštály prítomné v snehu absorbujú teplo len na roztavenie a na to, aby ich molekuly vody prijali viac neusporiadanú štruktúru. Kým sa sneh roztopí, vytvorená voda nezvýši jeho teplotu, pretože všetko teplo ruky používa sneh na dokončenie fúzie..

vyparovanie

Pokračovanie s príkladom vody, teraz umiestnenie hrsť snehu v hrnci a osvetlenie ohňa, je pozorované, že sneh sa rýchlo topí. Keď sa voda zahrieva, vo vnútri sa začnú tvoriť malé bubliny oxidu uhličitého a ďalšie možné plynné nečistoty..

Teplo dilatuje neusporiadané konfigurácie vody molekulárne, rozširuje svoj objem a zvyšuje tlak pary; preto existuje niekoľko molekúl, ktoré unikajú z povrchového produktu zvyšujúceho sa odparovania.

Kvapalná voda pomaly zvyšuje svoju teplotu vďaka vysokému špecifickému teplu (4.184 J / ° C ∙ g). Dochádza k bodu, kde ho absorbované teplo už nepoužíva na zvýšenie svojej teploty, ale na spustenie rovnováhy medzi kvapalinou a parou; to znamená, že začne variť a všetka tekutina pôjde do plynného stavu, pričom absorbuje teplo a udržuje konštantnú teplotu.

Tu sa pozoruje intenzívne prebublávanie na povrchu prevarenej vody (vrchný obrázok). Teplo absorbované kvapalnou vodou tak, že tlak pár jeho začiatočných bublín sa rovná vonkajšiemu tlaku, sa nazýva entalpia odparovania (ΔHVap).

Úloha tlaku

Tlak je tiež rozhodujúci pri zmenách stavu. Aký je jeho vplyv na odparovanie? Čím je pri vyššom tlaku teplo, ktoré musí voda absorbovať do varu, a preto sa odparuje nad 100 ° C.

Je to preto, že zvýšenie tlaku bráni úniku molekúl vody z kvapaliny do plynnej fázy.

Tlakové hrnce využívajú túto skutočnosť v ich prospech na ohrievanie potravín vo vode na teplotu vyššiu ako je teplota varu.

Na druhej strane, pretože dochádza k podtlaku alebo poklesu tlaku, kvapalná voda potrebuje nižšiu teplotu na varenie a prechod do plynnej fázy. Pri veľkom alebo malom tlaku musí voda v čase varu absorbovať svoje teplo odparovania, aby dokončila svoju zmenu stavu.

kondenzácie

Voda sa odparila. Čo bude ďalej? Vodná para môže stále zvyšovať svoju teplotu a stať sa nebezpečným prúdom spôsobujúcim ťažké popáleniny.

Predpokladajme však, že namiesto toho ochladzuje. Ako? Uvoľňovanie tepla do prostredia a uvoľňovanie tepla sa uvádza, že dochádza k exotermickému procesu.

Pri uvoľňovaní tepla sa vysokoenergetické molekuly plynnej vody začínajú spomaľovať. Tiež ich interakcie začínajú byť účinnejšie, keď teplota pary klesá. Prvé kvapky vody sa budú tvoriť, kondenzovať z pary, nasledované väčšími kvapkami, ktoré nakoniec priťahujú gravitácia.

Na úplné blahoželanie určitého množstva pary musíte uvoľniť tú istú energiu, ale s opačným znamienkom, na ΔHVap; to znamená jeho entalpia kondenzácie ΔHcond. Inverzná rovnováha, para-kvapalina je teda stabilná.

Mokré okná

Kondenzáciu možno pozorovať v oknách domov. V chladnom podnebí sa vodná para vo vnútri domu zrazí s oknom, ktoré má vďaka svojmu materiálu nižšiu teplotu ako iné povrchy.

Tam je jednoduchšie zoskupovať molekuly pary a vytvárať tenkú belavú vrstvu, ktorú je možné ľahko odstrániť ručne. Keďže tieto molekuly uvoľňujú teplo (ohrievanie skla a vzduchu), začínajú tvoriť početnejšie zhluky, až kým nemôžu kondenzovať prvé kvapky (vrchný obrázok).

Keď kvapky zväčšia svoju veľkosť veľmi, posúvajú sa oknom a zanechávajú vodu.

tuhnutia

Z tekutej vody, akú inú fyzickú zmenu môžete utrpieť? Tuhnutie v dôsledku chladenia; inými slovami, zamrzne. Na zmrazenie musí voda uvoľniť rovnaké množstvo tepla, ktoré ľad absorbuje, aby sa roztavila. Toto teplo sa opäť nazýva entalpia tuhnutia alebo zmrazenia, AHCong (-ΔHFUS).

Pri ochladení molekuly vody strácajú energiu a ich intermolekulové interakcie sa stávajú silnejšími a smerovými. V dôsledku toho sú usporiadané podľa vodíkových väzieb a tvoria takzvané ľadové kryštály. Mechanizmus, ktorým rastú ľadové kryštály, má vplyv na ich vzhľad: transparentný alebo biely.

Ak kryštály ľadu rastú veľmi pomaly, neuzatvárajú nečistoty, ako sú plyny, ktoré sa pri nízkych teplotách rozpustia vo vode. Takto unikajú bubliny a nemôžu pôsobiť na svetlo; a preto je ľad tak transparentný, ako je ľad mimoriadnej ľadovej sochy (obrázok hore).

To isté sa deje s ľadom, môže sa to stať s akoukoľvek inou látkou, ktorá stuhne ochladením. Možno je to najzložitejšia fyzikálna zmena v suchozemských podmienkach, pretože je možné získať niekoľko polymorfov.

sublimácie

Môže voda sublimovať? Nie, aspoň nie za normálnych podmienok (T = 25 ° C, P = 1 atm). Aby nastala sublimácia, to znamená zmena stavu z tuhého na plyn, tlak pary tuhej látky musí byť vysoký.

Je tiež dôležité, aby ich medzimolekulové sily neboli veľmi silné, pokiaľ sú tvorené iba disperznými silami

Najznámejším príkladom je jód. Je to kryštalická pevná látka sivohnedých tónov, ktorá má vysoký tlak pár. Je to tak, že pri jeho pôsobení sa uvoľňujú fialové pary, ktorých objem a expanzia sú viditeľné pri zahrievaní.

Horný obrázok znázorňuje typický experiment, pri ktorom sa jód odparí v sklenenej nádobe. Je zaujímavé a pozoruhodné pozorovať, ako sú fialové výpary rozptýlené a iniciovaný študent môže overiť neprítomnosť tekutého jódu..

Toto je hlavná charakteristika sublimácie: nie je prítomná kvapalná fáza. Je tiež endotermická, pretože tuhá látka absorbuje teplo na zvýšenie tlaku pary, aby zodpovedala vonkajšiemu tlaku.

uloženie

Paralelne s experimentom sublimácie jódu máme jeho depozíciu. Depozícia je opačná zmena alebo prechod: látka prechádza z plynného stavu na pevnú látku bez tvorby kvapalnej fázy.

Keď sa fialové jódové výpary dostanú do kontaktu so studeným povrchom, uvoľňujú teplo, aby ho zahriali, strácajú energiu a preskupujú svoje molekuly späť do šedo-fialovej pevnej látky (vrchný obrázok). Potom je to exotermický proces.

Depozícia je široko používaná na syntézu materiálov, kde sú dopované kovovými atómami sofistikovanými technikami. Ak je povrch veľmi studený, výmena tepla medzi ním a časticami pary je náhla, vynechávajúc priechod príslušnou kvapalnou fázou..

Teplo alebo entalpia depozície (a nie uloženie) je inverzná hodnota sublimácie (AHnáhradník= - AHDep). Teoreticky, mnohé látky môžu byť sublimované, ale na dosiahnutie tohto cieľa je potrebné manipulovať s tlakmi a teplotami, okrem toho musíte mať svoj diagram P vs T po ruke; v ktorých je možné vizualizovať jeho vzdialené možné fázy.

Ďalšie zmeny stavu

Hoci o nich nie je žiadna zmienka, existujú aj iné stavy hmoty. Niekedy sa vyznačujú tým, že majú „trochu z každého“, a preto sú ich kombináciou. Na ich vytvorenie je potrebné manipulovať s tlakom a teplotami na veľmi kladných (veľkých) alebo záporných (malých) veličinách.

Napríklad, ak sa plyny nadmerne zahrejú, stratia svoje elektróny a ich kladne nabité jadrá v tom, že záporný príliv bude predstavovať takzvanú plazmu. Je synonymom "elektrického plynu", pretože má vysokú elektrickú vodivosť.

Na druhej strane, prílišným znížením teplôt sa môže hmota správať nečakane; tj vykazujú jedinečné vlastnosti okolo absolútnej nuly (0 K).

Jednou z týchto vlastností je superfluidita a supravodivosť; ako aj tvorba Bose-Einsteinových kondenzátov, kde sa všetky atómy správajú ako jeden.

Dokonca aj niektoré výskumy poukazujú na fotonickú hmotu. V nich sú častice elektromagnetického žiarenia, fotóny, zoskupené do formy fotonických molekúl. To znamená, že by to teoreticky dávalo telesám svetla.

referencie

  1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19. novembra 2018). Zoznam fázových zmien medzi jednotlivými štátmi. Zdroj: thinkco.com
  2. Wikipedia. (2019). Stav veci Zdroj: en.wikipedia.org
  3. Dorling Kindersley. (2007). Zmena štátov. Zdroj: factmonster.com
  4. Meyers Ami. (2019). Fázová zmena: odparovanie, kondenzácia, zmrazovanie, topenie, sublimácia a depozícia. Štúdia. Zdroj: study.com
  5. Bagley M. (11. apríla 2016). Vec: Definícia a päť štátov hmoty. Zdroj: livescience.com
  6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Učenie.