Stany skupienia materii

Rys794F59JYoP

Zdjęcie przedstawia morski krajobraz podbiegunowy. Na idealnie gładkim morzu pływają większe i mniejsze kry. Niebo jest pochmurne. Nigdzie nie widać żadnych zwierząt, ani ludzi.

Trzy stany skupienia

Gaz, ciecz i ciało stałe to trzy stany skupienia materii. Na zdjęciach widać kostkę lodu, wodę w szklance i kropelki mgły będące wynikiem skroplenia się pary wodnejpara wodnapary wodnej.

RL6W5sUltoNLu

Grafika składa się z trzech zdjęć. Idąc od lewej. Na pierwszym zdjęciu znajduje się przezroczysta szklanka, w której znajduje się kilka kostek lodu. Drugie zdjęcie przedstawia szklankę z wodą. Na trzecim zdjęciu znajduje się porcelanowa filiżanka, nad którą unosi się dym, którym są kropelki mgły, które są wynikiem skroplenie się pary wodnej.

Mogłoby się wydawać, że parę wodnąpara wodnaparę wodną można zobaczyć. Tak jednak nie jest – to bezbarwny gaz. Tym, co zwykle określamy mianem pary wodnejpara wodnapary wodnej i widzimy nad czajnikiem w postaci małej chmurki, są kropelki wody – takie same jak te tworzące chmury. Na zdjęciach znajduje się jeszcze jeden stan skupienia wody – lód, czyli woda w postaci ciała stałego.

Nasuwa się wniosek, że ta sama substancja (tutaj: woda) może występować w trzech różnych fazach (stanach skupienia):

• faza lotna (para wodnapara wodnapara wodna, gaz);

• faza ciekła (woda);

• faza stała (lód).

Formy te różnią się tylko sposobem ułożenia cząsteczek i siłą oddziaływań między nimi.

Zmiany stanów skupienia i ich wpływ na kształt i objętość ciał

R1HuYfOI9ZOg3

Fotografia szklanki z lodem. Wewnątrz szklanki kilka kawałków lodu. Szklanka stoi na stole. Niektóre z kostek się topią, na dnie widać cienką warstwę wody.

Jaki wpływ na kształt i objętość ciała wywiera stan jego skupienia?

Kostka lodu (ciało stałe) zarówno w szklance, jak i poza nią ma taką samą objętość i taki sam kształt. Ciecze zachowują się inaczej. Gdyby nasza kostka lodu się stopiła, to niewątpliwie przybrałaby kształt naczynia, w którym została umieszczona. Jednak objętość powstałej wody byłaby taka sama – niezależnie od kształtu naczynia, w którym by się znalazła.

Próba przemiany wody w parę wodną spowodowałaby, że para wypełniłaby nie tylko szklankę, lecz także całe pomieszczenie.

Wpływ temperatury na zmiany stanu skupienia ciał

W otaczającym nas świecie często dochodzi do zmian stanów skupienia ciał. Przykładowo: gdy wrzucamy kostkę lodu do napoju, jest ona ciałem stałym, jednak szybko może się zmienić w ciecz. Innym przykładem jest żelazo, które najczęściej widzimy w postaci ciała stałego, ale gdy podgrzejemy ten metal w piecu hutniczym do temperatury ok. $1540°\mathrm{C}$, to zamieni się w ciecz. Rtęć, stosowana w termometrach laboratoryjnych, w temperaturze pokojowej jest cieczą, jednak po ochłodzeniu do temperatury poniżej $\left(-39°\mathrm{C}\right)$ staje się ciałem stałym. Przyjrzyj się, w jaki sposób można zmieniać stany skupienia ciał i jak nazywają się procesy, które do tych zmian prowadzą.

Topnienie

RmSzQAMeyqpSP

Film prezentujący proces topnienia ciała stałego na przykładzie stopu Wooda.

Film prezentujący proces topnienia ciała stałego na przykładzie stopu Wooda.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RmSzQAMeyqpSP

Film prezentujący proces topnienia ciała stałego na przykładzie stopu Wooda.

Kiedy ogrzewamy ciało stałe, powodujemy wzrost amplitudy drgań cząsteczek wokół ich położeń równowagi. Gdy w wysokiej temperaturze cząsteczki znajdują się wystarczająco daleko od siebie, ciało stałe zmienia się w ciecz. Mówimy wówczas, że zaszło zjawisko topnieniatopnienietopnienia. Użyty w filmie stop Woodastop Woodastop Wooda składa się z kadmu, ołowiu, cyny i bizmutu.

Poniższa aplikacja przedstawia zachowanie się cząsteczek wody w stanie stałym, podczas topnieniatopnienietopnienia i w stanie stałym.

Krzepnięcie

Podczas ochładzania cieczy, czyli zmniejszania energii cząsteczek, z których jest ona zbudowana, w pewnej temperaturze ciecz zmienia swój stan skupienia na stały. Zjawisko to nazywamy krzepnięciemkrzepnięciekrzepnięciem. Temperatura krzepnięciakrzepnięciekrzepnięcia danej substancji jest taka sama jak jej temperatura topnienia.

Każde ciało ma charakterystyczną temperaturę krzepnięcia (topnieniatopnienietopnienia). Przykładowo: ołów krzepniekrzepnięciekrzepnie w temperaturze $327°\mathrm{C}$, woda w $0°\mathrm{C}$, a wolfram, którego używamy w żarówkach – ok. $3400°\mathrm{C}$.

RWXfdT7tYLp6s

Film przedstawiający topnienie i krzepnięcie szczawianu potasu w przyspieszonym tempie, wraz z pokazaną temperaturą, w której proces zachodzi.

Film przedstawiający topnienie i krzepnięcie szczawianu potasu w przyspieszonym tempie, wraz z pokazaną temperaturą, w której proces zachodzi.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RWXfdT7tYLp6s

Film przedstawiający topnienie i krzepnięcie szczawianu potasu w przyspieszonym tempie, wraz z pokazaną temperaturą, w której proces zachodzi.

Mięknięcie

Niektóre ciała, np. wosk, szkło lub tworzywa sztuczne, nie mają określonej temperatury topnieniatopnienietopnienia. Gdy ciała te są ogrzewane, robią się coraz bardziej miękkie, plastyczne i płynne.

Mięknięcie jest podobne do topnienia, ale w odróżnieniu od niego odbywa się w pewnym (rosnącym) zakresie temperatur (topnienietopnienie ma zawsze określoną temperaturę). Temperatura, w której ten proces jest inicjowany, nazywa się temperaturą mięknięciamięknięciemięknięcia.

R67MsfzLdfVib

Zdjęcie przedstawia duży plaster miodu. Plaster miodu ma kolor żółty. Cała powierzchnia plastra miodu jest podzielona na przylegające do siebie otworki. Liczne otworki mają kształt sześciokątów. Całość tworzy sieć sześciokątów gęsto ułożonych symetrycznie obok siebie.

R1UtbdUHr93M7

Zdjęcie przedstawia proces wytopu szkła w hucie. Na zdjęciu widoczna jest dłoń pracownika. Dłoń po lewej stronie zdjęcia. Pracownik trzyma naczynie w kształcie dużej miski. Miska zakończona rączką. Nad wyżłobionym wnętrzem miski znajduje się gorący rozpalony fragment wytapianego szkła. Szkło ma kształt owalny. Bryła owalnego szkła zawieszona jest na specjalnym pręcie. Bryła szkła ma kolor żółty i pomarańczowy. Pomarańczowy bliżej pręta. Żółty występuję głównie w końcowej części bryły.

Parowanie

Kałuże, które powstają podczas deszczu, w końcu zawsze wysychają. Podobnie jest z wilgotnym praniem. Jaka jest tego przyczyna? Odpowiada za to proces, który zachodzi w każdej temperaturze – parowanieparowanieparowanie. Pranie wysycha szybciej, gdy powietrze ma wyższą temperaturę. Podobnie kałuże - znikają szybciej, gdy jest cieplej. Dlaczego? Podczas podgrzewania cieczy cząsteczki zaczynają przemieszczać się coraz szybciej. W rezultacie niektóre z nich poruszają się wystarczająco szybko, by oderwać się od powierzchni cieczy i przejść w stan lotny.

Pozostaje jednak do wyjaśnienia wiele wątpliwości. Dlaczego niektóre ciecze w tej samej temperaturze parują szybciej niż inne? Szybciej wyparuje głęboka kałuża, czy rozległa, o dużej powierzchni? Pranie wyschnie szybciej w dzień wietrzny, czy bezwietrzny?

Im większa powierzchnia cieczy, tym więcej cząsteczek jednocześnie może się z niej uwolnić. Ruch powietrza nad powierzchnią (np. wiatr) znacznie przyspiesza proces parowaniaparowanieparowania. Dzieje się tak, ponieważ w pobliżu powierzchni cieczy gromadzi się dużo cząsteczek pary. Powiew wiatru usuwa te cząsteczki i wtedy powierzchnię cieczy mogą opuszczać kolejne cząsteczki.

Wrzenie

Powszechnie znanym zjawiskiem jest wrzenie wody, podczas którego niezliczona ilość bąbelków pojawia się w całej jej objętości. W taki bardzo charakterystyczny sposób proces wrzeniawrzeniewrzenia przebiega we wszystkich cieczach.

Każda ciecz ma określoną temperaturę wrzeniawrzeniewrzenia. Temperatura ta w dużej mierze zależy od warunków zewnętrznych, jak np. ciśnienie.

Skraplanie

Skąd na chłodnym lustrze lub zimnej szybie biorą się kropelki wody? Gdy para wodna natrafi na chłodny przedmiot, obniża swoją temperaturę i przechodzi ze stanu gazowego w ciekły (w języku fizyki mówimy, że para wodna się skropliła). Kropelki skroplonej pary zaczynają się łączyć ze sobą i w efekcie możemy zaobserwować pojawiające się krople wody.

SkraplanieskraplanieSkraplanie pary wodnej możemy zaobserwować, gdy para wodna wydostaje się z czajnika – w pewnej odległości od dzióbka czajnika pojawia się mgiełka. To właśnie skroplona para wodna, która się ochłodziła, ponieważ trafiła na powietrze o niższej temperaturze. W ten sam sposób powstają chmury. Zjawisko to można też zaobserwować w chłodniach kominowych w elektrowniach.

R1GHAUelZ6VWn

Zdjęcie przedstawia niebieskie niebo pokryte gęsto chmurami. Chmury o rozmytej powierzchni. W środkowej części chmury są gęste i ciemne. Krawędzie chmur są nieostre i półprzeźroczyste. Chmury w górnej części nieba są jaśniejsze.

Sublimacja

Dlaczego zimą, mimo że temperatura powietrza jest bardzo niska, z czasem maleje ilość śniegu? Nie widać przecież, żeby się roztopił, tym bardziej że termometr za oknem wskazuje temperaturę poniżej $\mathrm{0°C}$.

R6VE8ggISZ9Lm

Zdjęcie przedstawia żelowy odświeżacz powietrza. Tło jasne. Odświeżacz widoczny jest w całości. Obudowa odświeżacza jest przeźroczysta. Przez obudowę widać żel, który znajduje się w środku. Żel ma kolor ciemnozielony.

Czasem wyczuwamy zapach naftaliny. Niektórzy z was wiedzą, że taki zapach rozchodzi się od kulek włożonych do szaf, które chronią ubrania przed molami. Jak działa taka kulka? Czujemy jej zapach – można by pomyśleć, że wyparowała, ale parowanie to przejście ze stanu ciekłego w gazowy, a kulka pozostaje przecież w stanie stałym. Zarówno ubywanie śniegu, jak i rozchodzenie się zapachu od kulek naftaliny to proces nazywany sublimacjąsublimacjasublimacją.

Resublimacja

Chłodnym rankiem, o różnych porach roku, gdy temperatura otoczenia przy gruncie spada poniżej $\mathrm{0°}\mathrm{C}$, możemy zaobserwować zjawisko powstawania szronu na trawie, liściach czy nawet siatkach ogrodzeń. SzronszronSzron powstaje w wyniku gwałtownego oziębienia się wilgotnego powietrza. Mechanizm powstawania tego zjawiska możesz obejrzeć na poniższym filmie.

R1Vpnj8UE9tWT

Demonstrator bierze nabój gazowy i szpikulec w drugą rękę. Przebija membranę lutu zamykającą szyjkę naboju. Dziura musi być dość duża. Szybko wyjmuje ostrze szpikulca i demonstruje do kamery trzymany w ręku nabój, z którego gwałtownie wydobywa się gaz. Szyjka naboju gwałtownie się ochładza na skutek adiabatycznego rozprężania gazu, na szyjce pojawia się biały szron z pary wodnej zawartej w powietrzu.

Demonstrator bierze nabój gazowy i szpikulec w drugą rękę. Przebija membranę lutu zamykającą szyjkę naboju. Dziura musi być dość duża. Szybko wyjmuje ostrze szpikulca i demonstruje do kamery trzymany w ręku nabój, z którego gwałtownie wydobywa się gaz. Szyjka naboju gwałtownie się ochładza na skutek adiabatycznego rozprężania gazu, na szyjce pojawia się biały szron z pary wodnej zawartej w powietrzu.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1Vpnj8UE9tWT

Demonstrator bierze nabój gazowy i szpikulec w drugą rękę. Przebija membranę lutu zamykającą szyjkę naboju. Dziura musi być dość duża. Szybko wyjmuje ostrze szpikulca i demonstruje do kamery trzymany w ręku nabój, z którego gwałtownie wydobywa się gaz. Szyjka naboju gwałtownie się ochładza na skutek adiabatycznego rozprężania gazu, na szyjce pojawia się biały szron z pary wodnej zawartej w powietrzu.

Za powstawanie szronu odpowiada zjawisko resublimacji – para wodna zamienia się bezpośrednio w kryształki lodu – ciało stałe.

Czwarty stan skupienia – plazma

Opisaliśmy większość przejść spotykanych na co dzień, zachodzących między różnymi stanami skupienia materii (zwanych też często przemianami fazowymi). Do którego z poznanych stanów skupienia materii można zaliczyć piorun albo płomień świecy?

R1bCQWTVrVPTs

Zdjęcie przedstawia górną część świecy. Świeca ma średnicę około pięć centymetrów. Na szczycie świecy krótki knot. Knot jest zapalony. Koniec knota jest rozżarzony i czerwony. Dolna część knota jest czarna. Koniec knota wychodzący ze świecy jest biały. Cały knot od części czarnej do czerwonej jest w płomieniu. Płomień ma kolor biały. Płomień ma kształt wydłużonego trójkąta. Tło zdjęcia czarne.

Obserwacje otaczającego świata pokazały, że istnieje jeszcze czwarty stan skupienia materii, nazywany plazmą. PlazmaplazmaPlazma to nic innego jak właśnie płomień świecy lub to, z czego zbudowane jest wnętrze gwiazdy.
Plazmę możesz zobaczyć także w lampkach nazywanych potocznie kulami plazmowymi.

R1cruY1ZXwW3G

Zdjęcie przedstawia lampkę plazmową. Ogromna szklana kula zajmuje całe zdjęcie. Brzeg kuli jest zabarwiony na niebiesko. W centrum kuli umieszczona jest mniejsza kula. Kula w centrum ma średnicę około dwa centymetry. Cała szklana kula ma średnicę około dziesięć centymetrów. Kula w środku ma kolor jasno różowy. Całe wnętrze dużej szklanej kuli wypełnione jest promieniami rozchodzącymi się od kuli w centrum w kierunku brzegu dużej kuli. Promienie to plazma rozchodząca się od środka kuli w kierunku obudowy. Plazma przybiera kształt rozgałęziających się odnóg. Odnogi wychodzą z całej powierzchni małej kuli w środku. Długie odnogi wokół kuli mają kolor jasno fioletowy. Rozgałęzione końce dotykają szklanego klosza i mają kolor jasno różowy. Plazma jest przeźroczysta. Tło czarne.

Podsumowanie

• Ciała występują w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym.

• Ciała stałe mają określone: kształt i objętość.

• Ciecze przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują, ale zachowują swoją objętość.

• Gazy – podobnie jak ciecze – przybierają kształt naczynia, w którym zostały umieszczone, ale w przeciwieństwie do cieczy wypełniają całą jego objętość.

• Na co dzień obserwujemy wiele zjawisk związanych ze zmianami stanów skupienia. Podsumujmy je za pomocą schematu.

  R18iN7WZ0JGUm

  Ilustracja przedstawia schemat przemian fazowych. Na schemacie widnieją trzy koła. Jedno koło na górze ilustracji. Dwa koła na dole, jedno w lewym rogu, drugie w prawym rogu. Koła układem przypominają trójką równoboczny. W kołach widnieją napisy, a obok kół rysunki. W górnym kole napisano: „ciało gazowe”. Na rysunku obok są trzy niebieskie chmurki. Dwie jasne, jedna ciemna. W lewym dolnym kole napisano: „ciało stałe”. Na rysunku obok przedstawiono jasnoniebieską kostkę lodu. W prawym dolnym kole napisano: „ciało ciekłe”. Na rysunku obok znajduje się pięć kropelek w kolorze niebieskim. Od górnego koła „ciało gazowe” w kierunku lewego dolnego koła „ciało stałe” poprowadzono strzałkę. Strzałka została opisana jako „resublimacja”. Strzałka w drugą stronę (od „ciała stałego” do „ciała gazowego”) została opisana jako „sublimacja”. Od górnego koła „ciało gazowe” w kierunku prawego dolnego koła „ciało ciekłe” poprowadzono strzałkę. Strzałka opisana jako „skraplanie”. Strzałka w drugą stronę („od ciała ciekłego” do „ciała gazowego”) jest opisana jako „parowanie”. Od dolnego lewego koła „ciało stałe” do prawego dolnego koła „ciało ciekłe” poprowadzono strzałkę. Strzałka opisana jako „topnienie”. Od „ciała ciekłego” do „ciała stałego” prowadzi strzałka opisana „krzepnięcie”.

  

• Zjawisko topnienia polega na zmianie stanu skupienia ciała ze stanu stałego w stan ciekły. Zachodzi w stałej temperaturze, nazywanej temperaturą topnienia.

• Krzepnięcie to zmiana stanu skupienia ciała z ciekłego na stały. Proces ten może przebiegać w odwrotną stronę (topnienie).

• Niektóre ciała przechodzą ze stanu stałego do stanu ciekłego bez ustalonej temperatury przemiany. W pewnym przedziale temperatur ciało stopniowo mięknie i przechodzi w ciecz. Taki proces nazywamy mięknięciem.

• Parowanie zmiana stanu skupienia polegająca na przejściu ciała ze stanu ciekłego w parę (stan gazowy). Zachodzi na powierzchni cieczy.

• Wrzenie to przemiana cieczy w gaz. Przypomina parowanie, ale w przeciwieństwie do niego nie odbywa się jedynie na powierzchni cieczy, ale jednocześnie w całej jej objętości.

• Skraplanie to zjawisko polegające na przejściu pary lub gazu w stan ciekły.

• Sublimacja to zjawisko bezpośredniego przejścia ze stanu stałego w stan gazowy, z pominięciem stanu ciekłego.

• Resublimacja to zjawisko bezpośredniego przejścia ze stanu gazowego w stan stały, z pominięciem stanu ciekłego.

• Plazma – czwarty stan skupienia materii, w którym nośniki dodatnich i ujemnych ładunków tworzą gaz.

Słownik