Bakalářská fyzika pro HGF VŠB-TUO

Z fázového diagramu dokážeme hodnotit změny skupenství dané látky probíhající při změnách teploty t a tlaku p.

Oblast 1 vymezuje plynné skupenství látky,

oblast 2 kapalné skupenství,

oblast 3 pevné skupenství;

s křivka sublimace–desublimace popisuje hranici mezi plynnou a pevnou fází,

v křivka vypařování-kondenzace hranici mezi plynnou a kapalnou fází,

t … křivka tání-tuhnutí hranici mezi kapalnou a pevnou fází;

bod T…trojný bod určujetlak a teplotu, kdy daná látkaexistuje ve všech třech fázíchv rovnováze,

bod K…kritický bod, kdykapalina i plyn tvoří jedinoufázi;

a křivka… charakterizuje metastabilní stav přechlazenékapaliny,

b křivka obdobně stav přehřáté pevné látky.

Chceme-li látku určitého skupenství přeměnit v látku jiného skupenství,musíme jí dodat (odebrat) skupenské teplo L. Teplota látky se během skupenské přeměny nezmění, protože se teplo L vynaloží (uvolní) na porušení (obnovu) struktury dané látky (např. krystalické mřížky):

L…skupenské teplo přeměny (tání - tuhnutí, vypařování - kondenzace, sublimace -desublimace) [J];

l … měrné skupenské teplo, uvádí se jako materiálová konstanta prodaný tlak a teplotu v MFCh tabulkách [J·kg^-1];

m … hmotnost látky [kg].

Zatímco tání pevných látek začíná až při určité teplotě, kapaliny sevypařují ze svého volného povrchu při každé teplotě, při vyšších teplotách však intenzivněji. Teplota varu kapaliny závisí na tlaku nadvolným povrchem kapaliny. Zvýšením tlaku se teplota varu zvyšuje anaopak. Při varu se kapalina vypařuje nejen na svém povrchu, ale i uvnitř, tj. v celém svém objemu. Sublimace je skupenská přeměna, při které se pevná látka mění na plyn, aniž by došlo k >tání pevné látky (tedy bez kapalné fáze), při desublimaci se naopak plyn mění přímo na pevnou látku bez předchozí kondenzace. Při sublimaci je tlak nasycených par nad pevnou fází vždy nižší než jejich tlak nad kapalnou fází.

Verbální zadání: Voda hmotnosti 10 kg a teploty 0°C se zahřeje na 100°C a pak se vypaří na páru o stejné teplotě. Jaké celkové teplo voda přijala? Kolik % z tohoto tepla připadá na ohřátí vody a kolik % na změnu skupenství? (použijte tabulky)

Matematizované zadání:

m = 10 kg; Δt = 100 K; c₁= 4180 J·kg^-1·K^-1; l_v = 2,26·10⁶ J·kg^-1;

Q₁ = ?; L_v= ?; Q = ?

Fyzikální vztahy jako návod pro řešení:

Teplo potřebné k ohřevu vody:

Teplo potřebné ke skupenské přeměně vody na páru:

Celkové teplo na ohřev vody a přeměnu vody na páru:

Obecný a konkrétní výsledek:

Odpověď:

Na ohřátí vody z teploty bodu mrazu do teploty bodu varu je třeba 15,6 % celkově vloženého tepla a na změnu jejího skupenství asi 5,4 krát více, tj. 84,4 %.

Verbální zadání:

Odlište jev vypařování od varu.

Návod řešení:

Vypařování i var jsou změny skupenství kapalného na plynné.

Vypařování probíhá při každé teplotě, kapalina se však vypařuje pouze z povrchu. Rychlost vypařování závisí na teplotě, čím má kapalina vyšší teplotu, tím rychleji se vypařuje.

Když kapalina dosáhne určité limitní teploty, začne se pára uvolňovat z celého objemu, tzn. nejen z povrchu, ale i uvnitř kapaliny. Bubliny lze pozorovat v okamžiku, kdy nastává var, a to tak, že unikají zezdola nahoru, tj. nafukují se, zvětšují se a stoupají k hladině. Teplota varu je teplota, při které dochází k varu, ale v závislosti na tlaku. Tato teplota závisí nejen na tlaku vzduchu, ale i na druhu kapaliny.

Závěr:

Var lze navíc odlišit od tzv. utajeného varu, kdy z ohřívané kapaliny vzniká kapalina přehřátá. Skrytý var lze pozorovat pouze u velmi čistých kapalin, které neobsahují mechanické částice umožňující vznik tzv. nukleačních center. Jde o místa vzniku přeměny vody na vodní páru, tj. mikro-bublinky, které se postupně zvětšují s množstvím odpařené kapaliny, a to při zahřátí na teplotu označovanou jako bod varu. Vznikají snadněji na hranách mechanických částic a čím čistší kapalina je, tím obtížněji dochází k počátkům varu. Rizikový je rovněž mikrovlnný ohřev jakožto ohřev bezkontaktní. Při kontaktním ohřevu dochází k lokálnímu zvýšení teploty v místě kontaktu a tudíž snazšímu vzniku nukleačních center, ale u mikrovlnné trouby je ohřev rovnoměrnější v celém objemu kapaliny. Vznik nukleačních center lze podpořit jednoduše mechanicky, a to přidáním inertních mechanických částic (varných kamínků např.) nebo mícháním. Pokud se však kapalina v přehřátém stavu již nachází, je třeba ji nechat postupně vychladnout, při náhlém zásahu (vhození kamínku např.) by „vybuchla“ v celém svém objemu naráz.

1. Reprezentativní příklady
2. Reprezentativní příklady

Tuhnutí je postupný proces. Při teplotě tuhnutí se začnou v kapalině vytvářet vlivem vazebních sil kondenzační jádra (zárodky), ke kterým se postupně připojují a pravidelně uspořádávají další částice látky, látka krystalizuje. V okamžiku, kdy všechna látka ztuhne, se krystalky vzájemně dotýkají a vytvářejí zrna. Pokud se v tavenině vytvoří pouze jeden zárodek, k němuž se postupně připojují další částice látky, vzniká monokrystal.

Při tuhnutí čisté látky se často stává, že zárodky pevného skupenství se vytvoří až za teploty menší, než je teplota tuhnutí dané látky a tak vzniká podchlazená kapalina. Lze ji naráz převést do pevného skupenství vhozením několika krystalků dané pevné látky, anebo mechanicky (prudce trhnout nádobou).

V technické praxi je třeba znát tlaky, při kterých dochází běžně k tání (např. k regelaci ledu). Např. úprava ledových ploch, postupný propad těles s velkou tíhou ledem, skluz ledovců apod.

Při kapalnění se plyn mění na kapalinu a současně se uvolňuje skupenské teplo kondenzační. Tohoto principu využívají v technické praxi např. kondenzační kotle. Přímo uvnitř kotle dochází ke kondenzaci vlhkosti z vodní páry obsažené ve spalinách. Ta se u klasických plynových kotlů bez využití odvádí do ovzduší a odnáší s sebou až 11 % nevyužité energie. Účelem kondenzační techniky je odebrat tuto energii ochlazením vodní páry ze spalin ve speciálním výměníku a takto získané teplo použít pro ohřev topné vody.

Sublimace se využívá např. při čištění chemických látek, anebo k rozdělení směsí sublimujících a nesublimujících látek. Za normálního jód, naftalen, salmiak aj., při dostatečně nízkém tlaku může sublimovat většina látek. Oxid uhličitý je příkladem chemické sloučeniny, která sublimuje za atmosférického tlaku. Suchý led se využívá jako chemická surovina pro výrobu, hnací plyn a ochranná atmosféra pro potravinářské účely, jako náplň hasicích přístrojů, ke chlazení. Sníh a vodní led také sublimuje, ale podstatně pomaleji (při teplotách pod bodem mrazu), např. mokré prádlo uschne i za mrazu.