Przeczytaj
Warto przeczytać
Ogólnie możemy powiedzieć, że ciepło przemiany fazowej, w której następuje zmiana stanu skupienia, to taka ilość energii, która jest niezbędna do tego, aby 1 kg materii zmienił swój stan. Rozróżniamy następujące przemiany fazowe:
1. Topnienie i krzepnięcie, czyli przejście między stanem ciekłym i stałym
Topnienie oznacza przejście ze stanu stałego w ciekły. Potrzebne jest do tego dostarczanie energii, aby cząsteczki ciała stałego mogły uwolnić się ze sztywnej struktury. Podczas procesu topnienia ciała krystalicznego temperatura jest stała, cała pobrana energia w postaci ciepła zostaje zużyta na zerwanie połączeń między cząsteczkami. Temperaturę, w której zachodzi topnienie nazywamy temperaturą topnienia.
CiepłoCiepło topnienia to ilość energii potrzebna do stopienia 1 kilograma substancji. Ciepło topnienia wyraża się wzorem
gdzie to ciepło potrzebne do stopienia masy danej substancji.
Jednostką ciepła topnienia jest .
Krzepnięcie jest procesem odwrotnym do topnienia - ciecz przechodzi w ciało stałe. W procesie tym ciepło jest oddawane w takiej samej ilości, w jakiej było pobrane przy topnieniu. Ciepło krzepnięcia, czyli ciepło oddane przez 1 kg cieczy podczas przemiany w ciało stałe równe jest ciepłu topnienia. Krzepnięcie - tak jak topnienie, w przypadku, gdy faza stała ma postać krystaliczną - zachodzi w stałej temperaturze. Substancja w temperaturze topnienia występuje jako mieszanina faz stałej i ciekłej.
2. Parowanie, wrzenie i skraplanie, czyli przejście między stanem ciekłym i gazowym
Ciecz może zamienić się w parę (gaz) na dwa sposoby: przez parowanie, które zachodzi w każdej temperaturze i polega na powolnym uwalnianiu się cząsteczek z powierzchni cieczy oraz przez wrzenie, podczas którego ciecz w całej objętości gwałtownie zamienia się w parę. Wrzenie zachodzi w stałej temperaturze – temperaturze wrzenia - zależnej od ciśnienia zewnętrznego. Oba procesy - parowanie i wrzenie - wymagają dostarczania energii. Ciepło parowania definiujemy jako energię potrzebną do zamiany 1 kilograma cieczy w gaz.
Skraplanie – proces odwrotny do parowania - polega na zamianie pary w ciecz. Ciepło jest wtedy oddawane w takiej samej ilości, w jakiej było pobrane przy parowaniu.
Więcej informacji o cieple parowania znajdziesz w e‑materiale Ciepło parowania.
Przykładowe wartości ciepła topnienia kilku substancji przedstawiono w Tabeli 1.:
Tabela 1. Ciepło topnienia różnych substancji
Substancja | Ciepło topnienia |
Miedź | 207 |
Ołów | 23 |
Srebro | 105 |
Woda (lód) | 333 |
Obliczmy dla przykładu, ile ciepła potrzeba do stopienia 3 kg lodu, a ile do stopienia 3 kg ołowiu w temperaturze topnienia. Bezpośrednio z definicji ciepła topnienia dostajemy ilość ciepła potrzebną do stopienia danej masy substancji (w temperaturze topnienia, tj. nie uwzględniamy ogrzewania),
Do stopienia 3 kg wody potrzeba więc .
Do stopienia 3 kg ołowiu potrzeba .
Widzimy, że ciepło topnienia wody ma szczególnie dużą wartość. To dlatego wiosną, mimo temperatur powyżej 0Indeks górny ooC, śnieg jeszcze długo leży.
A jaka ilość ciepła wydzieli się podczas krzepnięcia 2 kg miedzi? Zastosujemy ten sam wzór , ponieważ miedź odda tyle samo ciepła, ile pobrała podczas topnienia.
Miedź o masie 2 kg podczas krzepnięcia odda do otoczenia ciepło .
Wyobraźmy sobie, że zimą w ognisku rozgrzano do czerwoności miedziany pręt o masie m = 1 kg, a następnie wrzucono go w głęboki śnieg o temperaturze . Obliczmy początkową temperaturę pręta, jeśli stopiło się 0,7 kg śniegu. Pręt oddaje ciepło podczas ochładzania się do temperatury . Ciepło oddawane przez pręt pobiera śnieg i topi się, ponieważ jest w temperaturze topnienia. Aby zapisać wzór na ciepło oddane przez pręt, potrzebne jest ciepło właściweciepło właściwe miedzi. Wynosi ono , ciepło topnienia lodu to .
Ciepło oddane przez pręt wynosi
zaś ciepło pobrane przez wodę podczas procesu topnienia to
Po przyrównaniu ciepła oddanego i pobranego otrzymujemy
Z powyższego równania wyznaczamy zmianę temperatury pręta, deltaT:
Ale końcowa temperatura pręta to temperatura topnienia śniegu, czyli ok. 273 KK, więc temperatura początkowa pręta wynosi
Słowniczek
(ang. heat) - termin ten ma dwa znaczenia:
Ciepło to forma przekazywania energii pomiędzy ciałami, związana z różnicą ich temperatur. Energia jest samoistnie przekazywana od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze.
Ciepło - tradycyjnie - to nazwa dla formy energii (czasami zwanej też energią termiczną). Ciepło jest rozumiane wtedy jako składowa energii wewnętrznej układu. Jest to określenie nieprecyzyjne.
Należy każdorazowo wywnioskować z kontekstu, o które z tych dwóch znaczeń chodzi.
(ang. specific heat) - ciepło potrzebne do ogrzania 1 kg substancji o 1 K. Z danych doświadczalnych możemy wyznaczyć je z pomocą wzoru , gdzie ciepło pobrane przez ciało o masie skutkiem czego temperatura zmienia się o .
(ang. absolute temperature) - miara średniej energii kinetycznej cząsteczek. Wartość temperatury w skali Kelvina obliczamy dodając do wartości temperatury w skali Celsjusza temperaturę topnienia wody, tj. ok. 273.15 K.