Przemiany fazowe

Wstęp — jedna substancja, trzy postacie

Ta sama woda może być twardym lodem, płynną wodą albo niewidzialną parą wodną. Nic w niej się nie zmienia — to wciąż woda — a jednak wygląda i zachowuje się zupełnie inaczej. Co decyduje o tym, w jakiej „postaci" jest substancja? I dlaczego lód potrafi zamienić się w wodę, a woda w parę?

W tej lekcji dowiesz się:

• czym są trzy stany skupienia i jak w każdym z nich ułożone są cząsteczki,
• jak nazywa się sześć przemian między stanami skupienia,
• dlaczego podczas topnienia i wrzenia temperatura się nie zmienia, choć wciąż grzejemy.

Trzy stany skupienia

Substancje występują najczęściej w jednym z trzech stanów skupienia. Różnią się one tym, jak blisko siebie są cząsteczki i jak mocno się trzymają.

Rys. 1. Im więcej energii mają cząsteczki, tym słabiej się trzymają: od ciasno upakowanego ciała stałego, przez ciecz, aż po swobodny gaz.

Kiedy ogrzewamy substancję, jej cząsteczki poruszają się coraz szybciej i coraz słabiej się trzymają — dlatego ciało stałe może zamienić się w ciecz, a ciecz w gaz. Kiedy oziębiamy, dzieje się odwrotnie.

Sześć przemian fazowych

Przejścia między stanami skupienia mają swoje nazwy. Jest ich sześć — po dwie dla każdej pary stanów:

• Topnienie — ciało stałe → ciecz (np. lód → woda). Wymaga dostarczenia ciepła.
• Krzepnięcie — ciecz → ciało stałe (np. woda → lód). Oddaje ciepło.
• Parowanie — ciecz → gaz (np. woda → para). Wymaga ciepła.
• Skraplanie (kondensacja) — gaz → ciecz (np. para → krople na szybie). Oddaje ciepło.
• Sublimacja — ciało stałe → gaz z pominięciem cieczy (np. znikający lód w zamrażarce, suchy lód).
• Resublimacja — gaz → ciało stałe (np. szron i lód na szybie z pary wodnej).

Rys. 2. Sześć przemian fazowych. Przemiany „w prawo" (topnienie, parowanie, sublimacja) wymagają dostarczenia ciepła; przemiany „w lewo" (krzepnięcie, skraplanie, resublimacja) — oddają ciepło.

Zwróć uwagę na prostą regułę:

Zapamiętaj: Przemiany, w których cząsteczki się „uwalniają" (topnienie, parowanie, sublimacja), wymagają dostarczenia ciepła. Przemiany odwrotne, w których cząsteczki się „porządkują" (krzepnięcie, skraplanie, resublimacja), oddają ciepło.

Parowanie i wrzenie

Parowanie może zachodzić na dwa sposoby:

• Z powierzchni — powoli, w każdej temperaturze (mokra podłoga wysycha, kałuża znika). Uciekają tylko najszybsze cząsteczki z wierzchu.
• Wrzenie — gwałtowne parowanie w całej objętości cieczy, w ściśle określonej temperaturze (dla wody to $100\,°\text{C}$ pod normalnym ciśnieniem). Wtedy tworzą się bąbelki pary w środku cieczy.

Dlaczego podczas topnienia temperatura nie rośnie?

To jedno z najciekawszych zjawisk. Postaw garnek z lodem i wodą na palniku i mierz temperaturę. Okazuje się, że dopóki topi się lód, temperatura mieszaniny trzyma się $0\,°\text{C}$ — mimo że cały czas grzejemy!

Dlaczego? Bo dostarczane ciepło nie przyspiesza cząsteczek (czyli nie podnosi temperatury), tylko jest zużywane na rozerwanie wiązań między nimi — czyli na samą zamianę lodu w wodę. Dopiero gdy cały lód się stopi, temperatura znów zaczyna rosnąć.

Tak samo jest podczas wrzenia: dopóki woda wrze, jej temperatura trzyma się $100\,°\text{C}$, a ciepło idzie na zamianę wody w parę.

Rys. 3. Wykres ogrzewania: dwie poziome „półki" to topnienie (0 °C) i wrzenie (100 °C) — wtedy temperatura się nie zmienia, choć wciąż dostarczamy ciepło.

Zobacz, jak ogrzewa się woda

Włącz ogrzewanie i obserwuj termometr oraz wykres. Zauważ dwie „półki", na których temperatura się zatrzymuje — to topnienie i wrzenie:

Zadanie krok po kroku

Rano na trawie pojawiła się rosa, a przy mrozie — szron. Jakie przemiany fazowe zaszły w obu przypadkach?

Krok 1. Rosa to kropelki wody, które pojawiły się z pary wodnej z powietrza. Zaszła więc przemiana: gaz → ciecz.

Krok 2. Przemiana gaz → ciecz to skraplanie (kondensacja).

Krok 3. Szron to kryształki lodu, które powstały z pary wodnej — z pominięciem stanu ciekłego. Zaszła przemiana: gaz → ciało stałe.

Krok 4. Przemiana gaz → ciało stałe to resublimacja.

Odpowiedź: Rosa powstaje przez skraplanie, a szron — przez resublimację.

Typowe błędy — uważaj!

1. „Podczas topnienia temperatura rośnie, bo cały czas grzejemy." Nie — podczas topnienia temperatura stoi w miejscu (dla lodu 0 °C), bo ciepło idzie na zamianę stanu, a nie na wzrost temperatury.
2. „Parowanie zachodzi tylko przy 100 °C." Nie — woda paruje z powierzchni w każdej temperaturze (dlatego pranie wysycha). Dopiero wrzenie wymaga 100 °C.
3. „Skraplanie i krzepnięcie to to samo." Nie — skraplanie to gaz → ciecz, a krzepnięcie to ciecz → ciało stałe.
4. „Lód nie może wyparować bez topnienia." Może — to sublimacja. Dlatego lód w zamrażarce z czasem „znika", a mokry śnieg ubywa nawet przy mrozie.
5. „Para wodna to ta biała mgiełka nad czajnikiem." Właściwie nie — prawdziwa para jest niewidzialna. Biała mgiełka to już drobniutkie kropelki wody, które powstały ze skroplenia pary.

Podsumowanie

• Substancje występują w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym — różnią się ułożeniem i swobodą cząsteczek.
• Między stanami zachodzi sześć przemian: topnienie, krzepnięcie, parowanie, skraplanie, sublimacja i resublimacja.
• Przemiany „uwalniające" cząsteczki (topnienie, parowanie, sublimacja) pobierają ciepło; przemiany odwrotne oddają ciepło.
• Parowanie z powierzchni zachodzi w każdej temperaturze; wrzenie — w całej objętości, w stałej temperaturze.
• Podczas topnienia i wrzenia temperatura się nie zmienia — dostarczane ciepło zużywane jest na samą przemianę stanu.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i sprawdź, ile zapamiętałeś — sześć przemian fazowych, które pobierają, a które oddają ciepło, parowanie a wrzenie oraz dlaczego podczas topnienia i wrzenia temperatura się nie zmienia: Przemiany fazowe — sprawdź się.

Dalsza lektura

• Ciepło i temperatura — czym jest temperatura i energia wewnętrzna.
• Przepływy ciepła — jak ciepło dociera do topionej czy gotowanej substancji.