To ciekawe

Zmiany stanu skupienia są przemianami fazowymi. Wiąże się z nimi pobieranie albo oddawanie ciepła. Często nie wystarczy wiedzieć, że ciepło zostało w jakiejś przemianie fazowej pobrane czy oddane, ale ważna jest ilość tego ciepła. Do obliczenia ciepła potrzebnego do zajścia przemiany używamy wielkości zwanej ciepłem przemiany fazowej. Jak tę wielkość definiujemy, dowiesz się z tego e‑materiału.

R1FOQYkJ15sXW

Zdjęcie poglądowe przedstawia hutnika w stroju ochronnym (ognioodporne ubranie, rękawice i ochronna przyłbica na twarzy), pracującego przed rozgrzanym piecem hutniczym. Otwór pieca jest okrągły, widać wylewającą się stopioną surówkę (półprodukt redukcji rudy w piecu).

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.

CiepłociepłoCiepło topnienia to ilość energii potrzebna do stopienia 1 kilograma substancji. Ciepło topnienia wyraża się wzorem

gdzie $Q$ to ciepło potrzebne do stopienia masy $m$ danej substancji.

Jednostką ciepła topnienia jest $\frac{J}{kg}$.

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

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 $Q=3kg\cdot 333000\frac{J}{kg}=999000J=999kJ$.

Do stopienia 3 kg ołowiu potrzeba $Q=3kg\cdot 23000\frac{J}{kg}=69000J=69kJ$.

Widzimy, że ciepło topnienia wody ma szczególnie dużą wartość. To dlatego wiosną, mimo temperatur powyżej 0Indeks górny o^oC, śnieg jeszcze długo leży.

R1SEKgDlQ6kaX

Rys. 1. Ilustracja poglądowa przedstawia wizualizację góry lodowej - niewielka jej część jest wynurzona ponad powierzchnię morza, natomiast pod powierzchnią wody znajduje się wielokrotnie większa część wielkości całej góry lodowej.

A jaka ilość ciepła wydzieli się podczas krzepnięcia 2 kg miedzi? Zastosujemy ten sam wzór $Q=m{c}_t$, ponieważ miedź odda tyle samo ciepła, ile pobrała podczas topnienia.

Miedź o masie 2 kg podczas krzepnięcia odda do otoczenia ciepło $Q=2kg\cdot 207000\frac{J}{kg}=414000J=414kJ$.

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 $0°C$. Obliczmy początkową temperaturę pręta, jeśli stopiło się 0,7 kg śniegu. Pręt oddaje ciepło podczas ochładzania się do temperatury $0°C$. 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 właściweciepło właściwe miedzi. Wynosi ono $385\frac{J}{kg\cdot K}$, ciepło topnienia lodu to $333000\frac{J}{kg}$.

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, ΔdeltaT:

Ale końcowa temperatura pręta to temperatura topnienia śniegu, czyli ok. 273 Ktemperatura w skali Kelvina (skali bezwzględnej)K, więc temperatura początkowa pręta wynosi

Słowniczek