To ciekawe

Dostarczanie ciepła do wody powoduje wzrost jej energii wewnętrznej, a tym samym temperatury. Ale kiedy woda osiągnie temperaturę ${100}^{\circ }\mathrm{C}$, temperatura przestaje się zwiększać, pomimo dalszego dostarczania ciepła. Temperatura równa $100°C$ to temperatura wrzenia wody. Woda ulega przemianie fazowej ze stanu ciekłego do gazowego. Jak zmienia się w tym procesie energia wewnętrzna? W tym e‑materiale przeanalizujemy zmiany energii wewnętrznej w tej przemianie i w innych przemianach fazowych.

RosoztY9r462C

Rysunek przedstawia zdjęcie wrzącej wody, której powierzchni pojawia się duża ilość bąbelków wypełnionych parą.

Warto przeczytać

Materia występuje w trzech stanach skupienia, zwanych też fazami materii. Są to fazy: stała, ciekła i gazowa. O własnościach substancji decyduje wzajemna odległość jej cząsteczek i oddziaływania między cząsteczkami. Przemiany fazowe polegają na zmianie jednej fazy w inną, na przykład topnienie, czyli zmiana ciała stałego w ciecz, czy skraplanie – zmiana pary, która jest fazą gazową, w ciecz. Podczas przemiany fazowej układ wymienia ciepło z otoczeniem. Zmienia się więc energia wewnętrzna układu.

Energią wewnętrzną ciała nazywamy sumę energii kinetycznych cząsteczek oraz energii potencjalnych oddziaływań międzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych.

Zgodnie z I zasadą termodynamiki zmiana energii wewnętrznej układu zamkniętego jest równa energii, która przepływa przez jego granice jako ciepło oraz pracy siły zewnętrznej. Innymi słowy, jeśli praca równa jest zeru, pobranie ciepła przez układ zwiększa jego energię wewnętrzną, a oddanie ciepła – zmniejsza energię wewnętrzną.

Topnienie i krzepnięcie

Przyjrzyjmy się, jak zmienia się energia wewnętrzna podczas pobierania ciepła przez lód. Lód jest ciałem stałym o budowie krystalicznej. Jego cząsteczki ułożone są w geometryczne struktury i nie mogą spontanicznie zmieniać swego wzajemnego położenia, a tylko drgają wokół położeń równowagi. Energia wewnętrzna lodu składa się z energii kinetycznej drgających cząsteczek i energii potencjalnej sił, z jakimi cząsteczki się przyciągają. Gdy dostarczamy ciepło do lodu, gdy ma on temperaturę niższą niż zero stopni Celsjusza, zwiększa się energia kinetyczna drgań cząsteczek. Zwiększa się więc temperatura, która jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek. Dzieje się tak do momentu, aż lód osiągnie temperaturę topnienia, która przy ciśnieniu normalnymciśnienie normalneciśnieniu normalnym wynosi $0°C$. Topnienie rozpoczyna się, gdy pierwsza cząsteczka lodu osiągnie energię kinetyczną wystarczającą do zerwania więzi łączących ją z innymi cząsteczkami. To pociąga za sobą uwolnienie ze struktury krystalicznej kolejnych cząsteczek. W procesie topnienia cząsteczki lodu oddalają się od siebie, a to oznacza zwiększenie ich energii potencjalnej. Podobnie jest w polu grawitacyjnym. Gdy podrzucimy piłkę, zwiększa się jej energia potencjalna grawitacji na skutek zwiększania odległości od Ziemi.

R14HK5XJ7f4WE

Rys. 1. Rysunek przedstawia czterech zawodników grających w piłkę nożną. Dwóch z nich jest ubranych w stroje czerwone a dwóch w biało‑niebieskie. Piłka na zdjęciu znajduje się w powietrzu.

Gdy rozpocznie się proces topnienia, cała pobrana energia powoduje przyrost energii potencjalnej cząsteczek, przy czym energia kinetyczna cząsteczek nie zmienia się. To dlatego topnienie zachodzi w stałej temperaturze. Na Rys. 2a. pokazane są zmiany energii wewnętrznej podczas topnienia, a także przed i po topnieniu.

Odwrotny proces zachodzi, gdy woda oddaje ciepło do otoczenia (Rys. 2b.). Początkowo cząsteczki wody poruszają się coraz wolniej, temperatura maleje, aż w temperaturze $0°C$ temperatura przestaje się zmieniać, pomimo oddawania ciepła. Średnia energia kinetyczna cząsteczek nie zmienia się, ale maleje energia potencjalna międzycząsteczkowych sił przyciągających. Cząsteczki zbliżają się do siebie na odległość, w której krótkozasięgowe siły przyciągające stają się dostatecznie duże, aby utworzyły się wiązania między cząsteczkami. Powstaje struktura krystaliczna i woda zamienia się w lód. W procesie topnienia i krzepnięcia zachodzi skokowa zmiana energii wewnętrznej. Zmiana ta jest równa ciepłu pobranemu podczas topnienia lub oddanemu podczas krzepnięcia i wynosi co do wartości bezwzględnej $Q=m{c}_t$, gdzie $m$ to masa ciała, $c_t$ – ciepło topnieniaciepło topnieniaciepło topnienia.

R1YkJVjCYmUBz

Rys. 2a. Rysunek przedstawia umieszczony w prostokątnym układzie współrzędnych niebieski wykres zależności energii wewnętrznej od temperatury. Na wykresie tym widać, że gdy substancja jest ciałem stałym wzrost jej temperatury powoduje wzrost energii kinetycznej jej cząsteczek i wynikający z niego wzrost energii wewnętrznej. Na wykresie tym widać, że gdy substancja jest ciekła wzrost jej temperatury powoduje wzrost energii kinetycznej jej cząsteczek i wynikający z niego wzrost energii wewnętrznej. Pomiędzy fazą ciała stałego, a fazą ciekłą następuje topnienie w trakcie, którego temperatura utrzymuje stałą wartość równą temperaturze topnienia. W trakcie topnienia energia dostarczana do substancji powoduje wzrost energii potencjalnej cząsteczek i związany z nim wzrost energii wewnętrznej.

RxCoMguD2Mn85

Rys. 2b. Rysunek przedstawia umieszczony w prostokątnym układzie współrzędnych niebieski wykres zależności energii wewnętrznej od temperatury. Na wykresie tym widać, że gdy substancja jest ciekła spadek jej temperatury powoduje spadek energii kinetycznej jej cząsteczek i wynikający z niego spadek energii wewnętrznej. Na wykresie tym widać, że gdy substancja jest ciałem stałym spadek jej temperatury powoduje spadek energii kinetycznej jej cząsteczek i wynikający z niego spadek energii wewnętrznej. Pomiędzy fazą ciekłą, a fazą ciała stałego następuje krzepnięcie w trakcie, którego temperatura utrzymuje stałą wartość równą temperaturze topnienia. W trakcie krzepnięcia energia oddawana przez substancję do otoczenia powoduje spadek energii potencjalnej cząsteczek i związany z nim spadek energii wewnętrznej.

Wrzenie i skraplanie

Cząsteczki cieczy mogą poruszać się wewnątrz cieczy, ale nie jest to ruch swobodny. Przyciągające siły międzycząsteczkowe nie pozwalają cząsteczkom oddalać się od siebie. To dlatego objętość cieczy trudno zmienić. W stanie gazowym cząsteczki są w tak dużych odległościach od siebie, że praktycznie nie oddziałują ze sobą. Cząsteczki gazu poruszają się swobodnie i gaz rozprzestrzenia się w całej dostępnej objętości.

Gdy ciecz pobiera ciepło, zwiększa się energia kinetyczna cząsteczek i tym samym temperatura cieczy. Dzieje się tak do chwili, gdy osiągnięta zostanie temperatura wrzenia. Rozpoczyna się wtedy zamiana cieczy w parę w całej objętości cieczy. Stan wrzenia poznajemy po tym, że w całej objętości cieczy pojawiają się bąble zawierające parę. Wrzenie zachodzi w stałej temperaturze, czyli energia kinetyczna cząsteczek nie zmienia się. Przejście ze stanu ciekłego w gazowy związane jest ze zwiększeniem się odległości między cząsteczkami, a to oznacza zwiększenie energii potencjalnej cząsteczek. Zatem podczas wrzenia zwiększa się energia wewnętrzna pomimo stałej temperatury.

RFfv40qmLBUKC

Rys. 3a. Rysunek przedstawia umieszczony w prostokątnym układzie współrzędnych niebieski wykres zależności energii wewnętrznej od temperatury. Na wykresie tym widać, że gdy substancja jest ciekła wzrost jej temperatury powoduje wzrost energii kinetycznej jej cząsteczek i wynikający z niego wzrost energii wewnętrznej. Na wykresie tym widać, że gdy substancja jest parą wzrost jej temperatury powoduje wzrost energii kinetycznej jej cząsteczek i wynikający z niego wzrost energii wewnętrznej. Pomiędzy fazą ciała stałego, a fazą pary następuje wrzenie w trakcie, którego temperatura utrzymuje stałą wartość równą temperaturze wrzenia. W trakcie wrzenia energia dostarczana do substancji powoduje wzrost energii potencjalnej cząsteczek i związany z nim wzrost energii wewnętrznej.

R1IIRnsCnvfvt

Rys. 3b. Rysunek przedstawia umieszczony w prostokątnym układzie współrzędnych niebieski wykres zależności energii wewnętrznej od temperatury. Na wykresie tym widać, że gdy substancja jest parą spadek jej temperatury powoduje spadek energii kinetycznej jej cząsteczek i wynikający z niego spadek energii wewnętrznej. Na wykresie tym widać, że gdy substancja jest ciekła spadek jej temperatury powoduje spadek energii kinetycznej jej cząsteczek i wynikający z niego spadek energii wewnętrznej. Pomiędzy fazą pary, a fazą ciekłą następuje skraplanie w trakcie, którego temperatura utrzymuje stałą wartość równą temperaturze wrzenia. W trakcie skraplania energia oddawana przez substancję do otoczenia powoduje spadek energii potencjalnej cząsteczek i związany z nim spadek energii wewnętrznej.

Skraplanie to proces odwrotny do wrzenia. Zachodzi, gdy para oddaje ciepło. Energia kinetyczna cząsteczek pary, a więc i temperatura, zmniejsza się aż do temperatury wrzenia. Od tego momentu temperatura pozostaje stała, a rozpoczyna się proces skraplania, podczas którego zmniejsza się energia potencjalna cząsteczek. Cząsteczki zbliżają się do siebie na odległości pozwalające działać przyciągającym siłom międzycząsteczkowym. Energia wewnętrzna zmniejsza się na skutek zmniejszania energii potencjalnej cząsteczek. Zmiany energii wewnętrznej podczas wrzenia pokazuje Rys. 3a., a podczas skraplania Rys. 3b.

W procesie wrzenia i skraplania zachodzi skokowa zmiana energii wewnętrznej. Zmiana ta jest równa ciepłu pobranemu podczas wrzenia lub oddanemu podczas skraplania i wynosi z dokładnością do znaku $Q=m{c}_p$, gdzie $m$ to masa ciała, $c_p$ – ciepło parowaniaciepło parowaniaciepło parowania.

Słowniczek