Změny skupenství látek

Změny skupenství látek

 

Skupenství

– charakterizuje stav tělesa z termodynamického hlediska

Pevné

– látka zachovává tvar i objem

– potenciální energie částic je větší než pohybová

– částice uspořádány v krystalické mřížce

Kapalné

– látka zachovává objem, ale ne tvar

– potenciální energie částic je přibližně stejná jako kinetická

Plynné

– látka nezachovává ani tvar ani objem

– potenciální energie částice je menší než kinetická

Fáze

– termodynamická soustava, která má ve všech částech stejné chemické i fyzikální vlastnosti

– někdy tak označujeme skupenství – led – 1 ze 3 fází vody(led,voda,pára)

Tání a tuhnutí

Tání

– děj, při kterém se pevná látka zahříváním mění na kapalinu

– krystalická látka přijímá teplo a to se mění na kinetickou energii částic, která se zvyšuje a částice začnou kmitat kolem své rovnovážné polohy s čím dál větší výchylkou, při dosažení teploty tání už je kinetická energie částic tak velká, že se přeruší vazba mezi částicemi

Teplota tání

– teplota, při které se pevná látka začne měnit na kapalnou

– závisí na tlaku, za standardního tlaku(100 kPa) – normální teplota tání – uvedena v tabulkách

– krystalické látky mají konkrétní teplotu tání, tající těleso nemění teplotu(nemění se střední kinetická energie částic, ale střední potenciální energie částic -> zvyšuje se vnitřní energie) dokud celé neroztaje

– amorfní látky mají rozmezí teplot tání, při dosažení nižší teploty látka začne měknout a taje až do dosažení vyšší teploty, při dosažení vyšší teploty je látka celá kapalná

– teploty tání se dají měnit přísadami(led posypaný solí taje za nižších teplot než 0 stupňů)

– některé látky nedosáhnou svých teplot tání, protože dříve podléhají zkáze(dřevo)

Skupenské teplo tání

– teplo, které příjme těleso již zahřáté na teplotu tání,aby se celé přeměnilo na kapalinu

– předpokládá se, že neprobíhají jiné přeměny energií a soustava má stalý tlak

– nezávisí pouze na složení látky, ale i na množství

– [L_t] = J

Měrné skupenské teplo tání

– teplo, které příjme 1 kg tělesa zahřátého na teplotu tání k přeměně na kapalinu

– graf vyznačující závislost teploty tání na tlaku, A je trojný bod dané látky

– u většiny krystalických látek při zvýšení tlaku dojde k zvýšení teploty tání – látky táním zvětšují svůj objem = křivka tání typu olovo

– křivka tání typu led = zvýšením tlaku snížíme teplotu tání – táním zmenšujeme objem(př. : led, antimon, bismut)

Křivka tání

 

– graf vyznačující závislost teploty tání na tlaku, A je trojný bod dané látky

– u většiny krystalických látek při zvýšení tlaku dojde k zvýšení teploty tání – látky táním zvětšují svůj objem = křivka tání typu olovo

– křivka tání typu led = zvýšením tlaku snížíme teplotu tání – táním zmenšujeme objem(př. : led, antimon, bismut)

 

Regalace ledu(znovuzamrzání)

– jev, kterým ukazujeme závislost teploty tání na tlaku

– na kvádru ledu pověsíme závaží na tenkém provázku, v oblasti, kde se provázek stýká s ledem dojde v důsledku působení tíhové síly ke zvýšenému tlaku -> sníží se zde teplota tání -> led roztaje rychleji, voda vzniklá táním ledu vystoupá nad drát, kde je má tlak zase původní hodnotu a proto tam zamrzne – drát projde kvádrem ledu aniž by ho rozpůlil

Tuhnutí

– děj, při kterém se kapalina ochlazováním mění na pevnou látku

– pevná látky nevzniká hned – nejdříve vznikají krystalická(kondenzační) jádra, k těm se do pravidelného uspořádání připojují další částice látky -> vznik nepravidelných krystalů látky -> v okamžiku ztuhnutí se krystaly vzájemně dotýkají a vytváří zrna – polykrystal

– pokud je při tuhnutí jenom jedno kondenzační jádro, připojí se na něj postupně všechny částice látky a vznikne monokrystal

Teplota tuhnutí

– chemický čistých látek je stejná jako teplota tání

Skupenské teplo tuhnutí, měrné skupenské teplo tuhnutí

– teplo, které kapalina odevzdává svému okolí při tuhnutí, stejné jako skupenské teplo tání

Sublimace a desublimace

– sublimace – děj, při kterém se pevná látka mění v plyn, desublimace – děj, při které se plyn mění na pevnou látku

– za atmosférického tlaku sublimuje např. jód, kafr, suchý led(CO2 v pevném skupenství) + aromatické látky(např. naftalen)

Měrné skupenské teplo sublimace

– teplo, potřebné k tomu aby se 1 kg látky o určité teplotě přeměnil na 1 kg plynu a téže teplotě

– velikost závisí na teplotě, za které pevná látka sublimuje

Sublimace v uzavřené nádobě

– látka v uzavřené nádobě sublimuje až do dosažení rovnovážného stavu mezi plynem a pevnou látkou -> objem obou skupenství se nemění, tlak plynu a teplota soustavy je konstantní

 

Sublimace v otevřené nádobě

– probíhá dokud látka celá nevysublimuje, plyn vzniklý sublimací látky totiž proniká do atmosféry a nemůže dojít k rovnovážnému stavu?(tip,zeptat se na to prdele)

Sublimační křivka

– závislost tlaku plynu na teplotě při rovnovážném stavu při sublimaci

– v bodě A začíná křivka tání téže látky

Vypařování, kondenzace

Vypařování

– děj, při kterém se kapalina mění na plyn

– na volném povrchu kapaliny probíhá za každé teploty

– různé kapaliny se vypařují různě rychle(nejrychleji např. éter), rychlost vypařování se dá zvýšit zvětšením teploty kapaliny, zvětšením obsahu volného povrchu nebo odsáváním par vznikajících nad plynem

Skupenské teplo vypařování/měrné skupenské teplo vypařování

– teplo, které musí kapalina přijmout, aby se vypařila na plyn o téže teplotě/teplo, které musí kapalina o hmotnosti 1 kg přijmout, aby se vypařila na plyn o hmotnosti 1 kg a o téže teplotě

Otevřená nádoba

– molekuly povrchové vrstvy kapaliny získávají kinetickou energii větší než potenciální -> uvolní se z vazeb a opouští kapalinu do volného prostoru nad kapalinou, kde vytváří páru, pokud je kapalina v otevřené nádobě částice páry unikají(difundují) do okolního vzduchu¨

Var

– děj, při kterém se kapalina vypařuje v celém svém objemu(v kapalině vznik bublinek plynu, které vybublávají na hladinu)

Bouřlivý(utajený) var

– kapalina začne prudce vařit až při teplotě vyšší než je teplota varu (riziko úrazu)

Teplota varu

– teplota, při níž se kapalina vypařuje celým svým objemem, za standardních podmínek = normální teplota varu

– závisí na tlaku – s rostoucí tlakem se zvyšuje – využití: Papinův hrnec – zvýšnením tlaku dosáhne voda varu za vyšší teploty -> v teplejší vodě se pokrm uvaří rychleji

Měrné skupenské teplo varu

– teplo, které musí kapalina o teplotě varu přijmout, aby se vypařila na plyn o téže teplotě/teplo, které musí kapalina o teplotě varu a o hmotnosti 1 kg přijmout, aby se vypařila na plyn o hmotnosti 1 kg a o téže teplotě

Uzavřená nádoba

– při vypařování se vždy část částic opouštějících kapalinu vrací zpět do kapaliny, v uzavřené nádobě je ze začátku stejně jako v otevřené počet částic opouštějících kapalinu výrazně větší než počet částic vracejících se do kapaliny

Sytá pára

– postupně se zvyšuje hustota páry nad kapalinou a tím i tlak, až do dosažení rovnovážného stavu, kdy je počet částic opouštějící kapalinu stejný jako počet částic vracejících se do kapaliny -> objem kapaliny a páry se nemění, teplota a tlak soustavy je také konstantní,

– pára, která je v rovnovážném stavu s kapalinou = sytá pára

– tlak syté páry při stálé teplotě nezávisí na objemu páry – izotermickým zvětšení/zmenšením objemu se dosáhne pouze vypaření nebo kondenzace a opětovného rovnovážného stavu -> pro sytou páru neplatí stavová rovnice

– tlak syté páry s rostoucí teplotou roste – kapalinu můžeme vypařovat i po dosažení rovnovážného stavu, zvyšováním teploty kapalinu se bude kapalina dále vypařovat a hustota par se bude dále zvyšovat -> tlak se zvyšuje také

Křivka syté páry

– graf závislosti tlaku syté páry na teplotě

– každý bod křivky představuje jeden rovnovážný stav páry a kapaliny v uzavřené nádobě, který je charakterizován tlakem a teplotou

– A – nejnižší teplota a tlak, při kterém je pára a kapalina v rovnovážném stavu

– T_A – teplota tuhnutí při tlaku p_A

– T_K – kritická teplota, při zahřívání kapaliny se snižuje hustota kapaliny a zvyšuje hustota páry, při kritické teplotě je hustota kapaliny a páry stejná – látka se jeví jako stejnorodá(nerozeznáme kapalinu od páry), při vyšších teplota látka neexistuje v kapalném stavu

Přehřátá pára(plyn)

– pára o nižším tlaku než má sytá pára, vzniká po vypaření celého objemu kapaliny

– přehřátá pára se blíží svými vlastnostmi vlastnostem ideálnímu plynu tím více, čím více se liší od syté páry

Kondenzace

– děj, při kterém se plyn v důsledku snížení tlaku nebo teploty mění na kapalinu

– uvolňuje se při ní skupenské teplo kondenzace, které je stejně velké jako skupenské teplo vypařování

Fázový diagram látky

– graf závislosti tlaku na teplotě, určuje skupenství látky

– diagram rozdělují tři křivky(tání, syté páry a sublimace) na tři plochy(pevné – I, kapalné – II, přehřátá pára – III)

– křivka tání – znázorňuje body v nichž se vyskytuje v rovnováze kapalné a pevní skupenství, závislost teploty tání na tlaku, není ukončena

– křivka sublimace – každý bod znázorňuje stav látky, kde plyn a kapalina jsou v rovnovážném stavu

– křivka syté páry – každý bod křivky představuje jeden rovnovážný stav páry a kapaliny v uzavřené nádobě, oblast III má nižší tlak než sytá pára -> přehřátá pára

– A – trojný bod, bod ve kterém jsou všechna tři skupenství v rovnováze

– K – kritický bod, pára a kapalina mají stejnou hustotu -> neodlišíme je od sebe, látka je stejnorodá

– pokud je teplota plynu vyšší než kritická nemůže být plyn zkapalněn izotermickou kompresí, protože látka v kapalném skupenství za této teploty neexistuje, plyn musíme nejdříve ochladit, poté může dojít ke změně skupenství kompresí