ZMĚNY SKUPENSTVÍ LÁTEK Skupenství

• Taž látka se může vyskytovat jako plynná, kapalná a pevná látka

H2O pára, voda, led• Tyto stavy se nazývají skupenství• FYZIKÁLNÍ DĚJ, PŘI KTERÉM SE MĚNÍ

SKUPENSTVÍ LÁTKY, NAZÝVÁME ZMĚNA SKUPENSTVÍ LÁTEK

TÁNÍ• Změna pevné látky v kapalnou• Teplota tání (tt) = teplota, při níž taje daná

krystalická látka (závisí na tlaku) => v tabulkách uvedena za normálního tlaku 1,01325.105 Pa

• Amorfní látky – postupně měknou => nemajípřesně definovanou teplotu tání (sklo, vosk, sádlo, máslo…)

Tání

• Jaká je teplota tánídřeva?

• Nejde roztavit, rozložíse dříve, než je této teploty dosaženo.

Dodávání tepla pevné amorfní látce

Dodávání tepla pevné krystalickélátce

tání –směs kapaliny a pevnélátky

Teplota se nezvyšuje!

Teplo, které přijme pevné těleso jižzahřáté na teplotu tání, aby se změnilo na kapalinu téže teploty, se nazýváskupenské teplo tání Lt.

[Lt] = J

Pevná látka Kapalina Galium – teplota tání 29,6°C

Skupenské teplo tání

mlL tt .=

Měrné skupenské teplo tání

Charakteristické pro danou látku

ZÁVISÍ NA TLAKU

[lt] = J.kg-1

Hmotnost

Tání z pohledu molekulové fyziky

• Dodáváním tepla roste kinetická energie kmitavého pohybu částic v krystalickémřížce a roste i vzdálenost mezi částicemi

• Při teplotě tání kmitají částice tak, že se narušuje vazba v krystalické mřížce =>látka taje

• Energie (teplo) se spotřebuje na uvolněníz vazeb => teplota nestoupá

TUHNUTÍ• Změna kapaliny na pevnou látku• Teplota tuhnutí = teplota tání

Podchlazenásycená voda

Tuhnutí polykrystalické látky• Celá látka netuhne najednou – při teplotě

tuhnutí vznikají KRYSTALIZAČNÍ JÁDRA a k nim se přidávají částice

• V tavenině vzniká soustava volně se pohybujících krystalůTy srostou, a když se dotýkají vznikajíZRNA

Tuhnutí monokrystalu

• V tavenině je pouze jedeno jádro• Při technické výrobě se používá malý

monokrystal jako zárodek

Změna objemu při tání a tuhnutí

• Většina látek při tání zvětšuje svůj objem (olovo o 3,4%)

• Led , bismut, germanium… objem zmenšují(led o 9%!)Vyplývá to ze tvaru krystalické mřížky

Závislost teploty tání na vnějším tlaku

• U látek, které při tání zvětšují svůj objemzvýšení tlaku → zvýšení teploty tání(olovo – 2 x norm. tlak – zvýšení o 8 mK)

• U látek, které při tání zmenšují objemzvýšení tlaku → snížení teploty tání(led – 2 x norm. tlak – snížení o 7,3 mK)

kůra

astenosféra –natavené horniny

pod kontinenty

pod oceány

tavení SUBLIMACE• PŘEMĚNA PEVNÉ LÁTKY V

PLYN• jod, kafr, pevný oxid uhličitý

(suchý led), led, sníh, pevné látky s odérem

Trocha sublimace…

Zapálený hořčík v suchém ledu (oxid hořečnatý reaguje s CO2 a uvolňuje se teplo - nejen)

Kdesi v USA… Skupenské teplo sublimace

mlL ss .=

Měrné skupenské teplo sublimace

[ls] = J.kg-1

závisí na teplotě

led 0°C ls = 2,8 MJ.kg-1

hmotnost

Sublimace

• Pokud je sublimující látka dostatečnéhmotnosti v uzavřené nádobě, sublimuje tak dlouho, dokud se nevytvoří rovnovážný stav mezi pevným skupenstvím a plynným skupenstvím.

• pro led teploty –5°C se vytvoří pára o teplotě –5°C a tlaku 0,4 kPa

DESUBLIMACE

vznik jinovatky z vodní páry

Desublimace jodu

VYPAŘOVÁNÍ

• PŘEMĚNA KAPALINY V PÁRU• různé kapaliny se vypařují různě (benzín

rychle, olej pomalu)• rychlost vypařování závisí na teplotě a

velikosti plochy volného povrchu

Skupenské teplo vypařování• teplo potřebné k přeměně kapaliny

na páru

mlL vv .=Měrné skupenské teplo vypařování

[lv] = J.kg-1

závisí na teplotě

s rostoucí teplotou klesá

Hmotnost

Var kapaliny

• kapalina se vypařuje nejen na svém povrchu, ale i uvnitř (bubliny)

• bubliny páry vznikají v místech s mikroskopickými bublinami vzduchu, částicemi cizorodých látek či v mikroskopických dutinách ve stěnách nádoby

Teplota varu (tv)

• závisí na tlaku, za normálního tlaku jde o normální teplotu varu

• s rostoucím tlakem se zvyšuje• pro vodu za norm. tlaku tv = 99,98 °C

při tlaku 0,2 MPa tv = 120°C

• Využití Papinův hrnec, elektrárny

Měrné skupenské teplo varu

= měrné skupenské teplo vypařování při teplotě varu

mlL vv .=

SKUPENSKÉ TEPLO VARU

Vypařování z hlediska molekulové fyziky

• molekuly na povrchu kapaliny, které majídostatek kinetické energie, aby překonaly přitažlivé síly, uniknou do prostoru nad kapalinou

• některé unikající molekuly se vrátí zpět do kapaliny – u otevřené nádoby je jejich počet menší než počet unikajících molekul

• protože kapalinu opouštějí nejrychlejší molekuly, zmenšuje se tím střední kinetická energie molekul kapaliny => snižuje se teplota kapaliny

• při úniku se molekuly zpomalí => teplota páry je stejná jako teplota kapaliny

KAPALNĚNÍ (KONDEZACE)• PÁRA SE MĚNÍ NA KAPALINU• uvolňuje se při tom SKUPENSKÉ TEPLO

KONDENZACE (= skupenské teplo vypařováníza téže teploty)

měrné skupenské teplo kondenzace = měrnéskupenské teplo vypařování téže látky za téže teploty

mlL kk .=

Kondenzace

• na povrchu kapaliny• na povrchu pevné

látky (orosenézrcadlo)

• usnadňuje usedáníprachu, sazí…

SYTÁ PÁRA

• vypařování v uzavřené nádobě– částice opouštějí kapalinu a je jich více než

počet molekul, které se vrací zpět do kapaliny => roste počet částic plynu + roste tlak páry a její hustota + roste počet vracejících se částic

– po určité době nastane rovnováha mezi opouštějícími a vracejícími se částicemi

Sytá pára

• PÁRA, KTERÁ JE V ROVNOVÁŽNÉM STAVU SE SVOU KAPALINOU, SE NAZÝVÁ SYTÁ PÁRA

• Tlak syté páry nezávisí při stálé teplotě na objemu páry (neplatí stavová rovnice)

TRnVp ... ≠.. konstVp ≠

Proč?

• zvětší-li se prostor nad kapalinou (izotermicky), poklesne tlak, ale po určitédobě se vypaří tolik páry, že se tlak opět vrátí na svoji původní hodnotu

• při zmenšení objemu (izotermicky) část páry zkapalní

Tlak syté páry

• Tlak syté páry nad kapalinou roste s rostoucí teplotou

Křivka syté páry= graf závislosti tlaku syté páry na teplotě

A – nejmenší hodnota teploty a tlaku, při kterých existuje kapali a její sytápára v rovnovážném stavu

voda: 273,15 K, 6,1.102 Pa

K – kritický bod – hustota kapaliny = hustotě páry =>mizí rozhraní mezi nimi (látka je stejnorodá)

voda: 647,6 K, 218.105 Pa, 315 kg.m-3

hustota páry stoupá, hustota kapaliny klesá

Křivka syté páry

• určuje teplotu varu kapaliny při daném vnějším tlaku

• bubliny syté páry v kapalině – tlak uvnitř je přibližně roven vnějšímu tlakuzvýšení tlaku → var až při vyšší teplotě(vyšší tlak uvnitř bubliny ← vyšší rychlost částic ← vyšší teplota)

FÁZOVÝ DIAGRAM

• popisuje rovnovážné stavy jednotlivých skupenství + rovnovážné stavy vedle sebe existujících skupenství téže látky

• rovnovážný stav = stav látky, při kterém existují vedle sebe v rovnovážném stavu 2 či 3 skupenství téže látky

křivka tání

křivka syté páry

křivka sublimace

Suchý led (pevný CO2) Aby to celé nebylo tak jednoduché

:o)

Fázový diagram vodyV závislosti na teplotěa tlaku (např. pod dopadem meteoritu) krystalizuje led v 7 různých krystalických soustavách

na Zemi pouze led I (šesterečná či krychlová soustava –pod 80°C)

Přehřátá pára• má nižší tlak než stá pára téže teploty

(pokud je daleko od stavu syté páry, platí pro ni PŘIBLIŽNĚ stavová rovnice ideálního plynu)

• Jak vzniká?

Zvětšením objemu syté páry bez přítomnosti kapaliny za konstantní teploty (= pokles tlaku)

Zahřátím syté páry bez přítomnosti kapaliny při stálém tlaku

VODNÍ PÁRA V ATMOSFÉŘE• přítomna z moří, jezer, řek• hmotnost páry se mění mění v závislosti

na roční a denní době a s destinací na Zemi– více páry odpoledne (více slunečního svitu), v

létě, na pobřeží v tropech– závisí na tom množství srážek!

• vliv na člověka – lépe snášíme vyššíteplotu při méně páry

Absolutní vlhkost vzduchu

• popisuje množství vodní páry v daném objemu při dané teplotě

• měření – vlhký vzduch prochází přes látku, kterápohlcuje vlhkost (H2SO4, CaCl) => poroste jejíhmotnost o hmotnost pohlcené vody

• vodní pára v atmosféře je většinou přehřátá pára

Vm

=Φ [ ] 3. −=Φ mkg

Vlhkoměr z dílny Leonarda da Vinci

Vlhkost vzduchu

• pro sytou páru platí, že se jedná o maximální množství možnou dosažitelnou absolutní vlhkost pro danou teplotu

tabulkáchvhodnotym −Φ

Relativní vlhkost

• důležitá pro tvoření srážek, vypařovánívody z povrchu živočichů…

• nezávisí na absolutní vlhkosti, ale od toho jak se vlhkost liší od maximální

%100.mΦ

Φ=ϕ

%100.sp

p=ϕ

tlak vodní páry danéteploty

tlak syté páry téže teploty

Pro člověka optimální 50-70%

Měření relativní vlhkosti

• VLHKOMĚR– vlasový (vlas mění svojí délku v závislosti na

vlhkosti)

Rosný bod, teplota rosného bodu (tR)

• teplota, na níž by bylo třeba izobaricky ochladit vzduch, aby se vodní pára stala sytou

• důležité pro předpověď teploty, při níž se bude tvořit rosa, mlha…

Vlhkoměr G. Galilei• Kondenzační vlhkoměr. • Relativní vlhkost měřil pomocí

rosného bodu. Na malou, tenkou a vysoce leštěnou kovovou misku nalil trochu éteru. Vypařováním éteru, urychlovaného proudícím vzduchem, se miska ochlazovala. Když její teplota dosáhla teploty rosného bodu, její povrch se orosil (jako sklenice piva). Odečetl teplotu na teploměru, kterábyla závislá na vlhkosti vzduchu (tyto vlhkoměry se používají dodnes).

Trocha meteorologie

• Mikroatlas oblaků• Kondenzační hladina• Studená a teplá fronta• Fön

Mikroatlas oblaků

Altostratus - LeaderAltostratus - Hokusai

Kondenzační hladina

Vzduch se ochlazuje v nižších hladinách asi o 1°C na každých 100 m výšky

Teplota rosného bodu klesá o 0,2°C na každých 100 m výšky.

Kondenzační hladina – vzduch se stávánasyceným vodníparou (tvoříse oblak)

CUMULUSStudená a teplá fronta

studená fronta teplá fronta

1 – cumulonimbus 4 - altostratus2 – cumulus 5 - cirrostratus3 – nimbostratus 6 - cirrus

Při kondenzaci se uvolňuje teplo, proto snížení poklesu teploty vzduchu

Velmi suchý, teplý vzduch, nebezpečípožáru

Fön

004,0.hT ∆=∆