Zmena skupenstva látok

Keď má sústava v rovnovážnom stave vo všetkých častiach 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

Keď zohrievame teleso z kryštalickej látky, zvyšuje sa jeho teplota a po dosiahnutí teploty topenia t_t sa premieňa na kvapalinu s tou istou teplotou - topí sa. Keď sa teleso z kryštalickej látky s hmotnosťou m a s teplotou topenia premení na kvapalinu s tou istou teplotou, príjme skupenské teplo topenia L_t. Pre telesá z rozličných látok tej istej hmotnosti je táto veličina rôzna. Preto zavádzame veličinu merné skupenské teplo topenia l_t, definované vzťahom:

l_t = L_t / m [ l_t ] = J.kg^-1

Keď 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 L_t.

Pevné amorfné látky pri zohrievaní postupne mäknú, až sa premenia na kvapalinu. Preto nemajú stálu teplotu topenia.

Keď kryštalická látka prijíma teplo, zväčšuje sa stredná kinetická energia kmitavého pohybu častíc. Častice zväčšujú rozkmity, čím sa zväčšuje aj stredná vzdialenosť medzi nimi. V dôsledku toho sa zväčšuje aj stredná potenciálna energia častíc. Keď látka dosiahne teplotu topenia, nadobúdajú rozkmity častíc také hodnoty, že sa narušuje väzba medzi časticami mriežky; mriežka sa začne rozpadávať, látka sa topí. V rozličných kryštalických látkach sú väzbové sily medzi časticami rozlične veľké. Preto každá kryštalická látka sa začne topiť pri danom vonkajšom tlaku, pri celkom určitej teplote. Hoci kryštalická látka pri topení prijíma skupenské teplo, nemení sa stredná kinetická energia častíc, a tým ani teplota látky. Zväčšuje sa však stredná potenciálna energia častíc. To značí, že pri teplote topenia je vnútorná energia roztaveného telesa väčšia, ako vnútorná energia toho istého telesa v kryštalickom stave pri rovnakej teplote. Keď sa všetka látka roztopí a prijíma ďalšie teplo, opäť sa zväčšuje stredná kinetická energia častíc a preto sa teplota kvapaliny zvyšuje.

Keď kvapalina, ktorá vznikla topením kryštalickej látky, odovzdáva teplo chladnejším telesám, ktorú je obklopujú, zmenší sa stredná kinetická energia častíc, a tým aj teplota látky. Ak dosiahne teplotu tuhnutia, začnú sa v kvapaline vplyvom väzbových síl tvoriť kryštalizačné jadrá, tzv. zárodky.

Krivka topenia Pri skúmaní závislosti teploty topenia kryštalickej látky od vonkajšieho tlaku sa zistilo, že pri väčšine látok sa pri zvýšenom tlaku zvyšuje aj teplota topenia. Niektoré látky, napr. ľad, 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 ľad H₂O. Každý bod krivky topenia znázorňuje tiež rovnovážny stav tuhej a kvapalnej fázy istej látky. Napríklad pri normálnom tlaku a teplote 0°C sú v rovnovážnom stave voda a ľad. Krivka topenia začína v bode A, ktorému zodpovedá najmenší možný tlak, pri ktorom sú ešte kvapalina a tuhá látka v rovnováhe.

Keďže teploty topenia rôznych látok závisia od tlaku, udávajú sa v tabuľkách pri normálnom tlaku a nazývajú sa normálne teploty topenia.

Látky, pri ktorých sa so zvyšujúcich tlakom zvyšuje teplota topenia, svoj objem pri topení zväčšujú a pri tuhnutí zmenšujú. Látky, ktoré pri zvýšení tlaku svoju teplotu topenia znižujú, svoj objem pri topení zmenšujú a pri tuhnutí zväčšujú.

Sublimácia

Premena látky z pevného skupenstva priamo na plynné skupenstvo sa volá sublimácia. Opačný dej je desublimácia. Pri normálnom tlaku sublimuje napr. jód, gáfor, naftalín, tuhý oxid uhličitý, ľad alebo sneh. Rovnako všetky voňajúce alebo páchnuce pevné látky sublimujú. Príkladom desublimácie je vznik drobných kryštálikov jódu z jódových pár.

Merné skupenské teplo sublimácie l_s, je definované vzťahom l_s= L_s / m, kde L_s je skupenské teplo sublimácie prijaté látkou s hmotnosťou m na jej sublimáciu pri danej teplote. Merné skupenské teplo sublimácie závisí od teploty, pri ktorej látka sublimuje.

Keď je sublimujúca látka s dostatočnou hmotnosťou v uzavretej nádobe, sublimuje tak dlho, až sa medzi pevnou fázou a parou utvorí rovnovážny stav. Vzniknutá para sa nazýva nasýtená para. Keď je teplota konštantná, pomer hmotnosti plynného a pevného skupenstva zostáva konštantný a tlak nasýtenej pary vzniknutý sublimáciou sa nemení.

Závislosť tlaku nasýtenej pary od teploty vyjadruje sublimačná krivka. Každý bod tejto krivky súčasne znázorňuje rovnovážne stavy medzi pevnou látkou a jej nasýtenou parou. Sublimačná krivka sa končí v bode A, v ktorom sa začína krivka topenia tej istej látky.

Vyparovanie a var. Kvapalnenie

Vyparovanie - premena kvapaliny na paru. Na rozdiel od topenia prebieha vyparovanie z voľného povrchu kvapaliny pri každej teplote. Keď chceme kvapalinu s danou hmotnosťou premeniť na paru s rovnakou teplotou, musí kvapalina prijať skupenské teplo vyparovania L_v. Merné skupenské teplo vyparovania vypočítame l_v = L_v / m, jednotkou tejto veličiny je J.kg^-1. Z meraní vyplýva, že so zvyšujúcou teplotou kvapaliny merné skupenské teplo vyparovania klesá.

Keď kvapalinu zohrievame, pozorujeme, že pri dosiahnutí istej teploty pri danom okolitom tlaku sa vnútri kvapaliny tvoria bubliny pary, ktoré zväčšujú svoj objem a vystupujú na voľný povrch kvapaliny. Tento osobitný prípad vyparovania kvapaliny nazývame var. Pri vare sa vyparuje nielen na voľnom povrchu, ale aj vo vnútri.

Teplota t_v, 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 hľadiska molekulovej fyziky vysvetľujeme vyparovanie kvapaliny takto: Molekuly kvapaliny konajú tepelný pohyb. Keď niektoré molekuly majú na voľnom povrchu kvapaliny takú energiu, že sú schopné prekonať sily, ktoré ich pútajú k ostatným molekulám, potom tieto molekuly uniknú do priestoru nad kvapalinu a utvoria paru. Para je plynné skupenstvo. Ak je voľný 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 počet týchto molekúl vždy menší ako počet molekúl, ktoré v rovnakom čase z kvapaliny unikajú.

Keďže pri vyparovaní kvapaliny opúšťajú najrýchlejšie molekuly, zmenšuje sa stredná kinetická energia molekúl kvapaliny, čo má za následok zníženie teploty vyparujúcej sa kvapaliny. Teplota vzniknutej pary sa však rovná teplote kvapaliny, lebo molekuly pri opustení kvapaliny vplyvom príťažlivých síl strácajú svoju prebytočnú kinetickú energiu. Majú však väčšiu potenciálnu energiu. Preto vnútorná energia pary s danou je väčšia ako vnútorná energia kvapaliny s rovnakou hmotnosťou a teplotu.

Opačný dej k vyparovaniu je kvapalnenie (kondenzácia). Pri tomto deji látka odovzdá svojmu okoliu skupenské kondenzačné teplo. Merné skupenské kondenzačné 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. Keďže tlak nasýtenej pary nezávisí od objemu, neplatí pre ňu 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.

Keď na základe merania tlaku nasýtenej pary pri rozličných teplotách zostrojíme graf závislosti tlaku nasýtenej pary od teploty, dostaneme krivku nasýtenej pary. Táto závislosť nie je lineárna a pre rôzne látky je rozličná. Začiatočnému bodu A krivky prislúcha najmenšia hodnota teploty a tlaku, pri ktorých existuje kvapalina a nasýtená para v rovnovážnom stave. Pri teplote T_k - 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 T_k už neexistuje látka v kvapalnej fáze.

Koncový bod krivky nasýtenej pary sa volá kritický bod a znázorňuje kritický stav látky. Teplota varu sa zvyšuje so zväčšovaním vonkajšieho tlaku.

Fázový diagram

Fázový diagram - krivka topenia, sublimácie a nasýtenej pary. Fázový diagram tvorí krivka topenia k_t, krivka nasýtenej pary k_p a sublimačná krivka k_s. Všetky tri krivky sa stýkajú v jednom bode A, ktorý sa nazýva trojný bod.

Znázorňuje rovnovážny stav pevnej, kvapalnej a plynnej fázy tej istej látky. Teplota trojného bodu vody je základnou teplotou termodynamickej teplotnej stupnice.

Každý bod krivky topenia znázorňuje rovnovážny stav pevnej a kvapalnej fázy; doby krivky nasýtenej pary znázorňujú rozličné stavy rovnovážnej sústavy kvapalina a nasýtená para, vrátane kritického stavu látky a body sublimačnej krivky určujú rovnovážny stav pevnej látky a jej nasýtenej pary.

Krivky k_t, k_p, k_s, rozdeľujú rovinu fázového diagramu na tri oblasti I,II,III. Keď je bod určujúci stav látky znázornený v oblasti I, látka je v pevnom skupenstve; body v oblasti II znázorňujú rozličné 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 získať aj tak, že nasýtenú paru zohrievame bez prítomnosti kvapaliny.

Pre prehriate pary, ktorých stav je ďaleko 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.