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.
