Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Znasz już pojęcie energii wewnętrznej ciała i wiesz, w jaki sposób można ją zmieniać. Czy w procesach zmian stanów skupienia zmieniać się będzie energia wewnętrzna?

Proces zamarzania wody zachodzi, gdy w skutek jej ochładzania energia wewnętrzna cząsteczek spada tak bardzo, że dochodzi do przejścia stanu skupienia z ciekłego w stały. Przy odpowiednio niskiej temperaturze występującej przez wystarczająco długi czas zamarznąć może nawet powierzchnia bardzo szybko płynącej wody, np. wodospadu
Już wiesz
  • analizować procesy ogrzewania, ochładzania, topnienia, krzepnięcia, parowania i skraplania oraz wskazywać, w których procesach ciepło jest pobierane, a w których oddawane;

  • podawać definicje ciepła właściwego, ciepła parowania (skraplania) oraz ciepła topnienia (krzepnięcia) i stosować je do obliczeń.

Nauczysz się
  • opisywać przemiany energii wewnętrznej w procesach: ogrzewania, ochładzania, topnienia i krzepnięcia, parowania i skraplania, sublimacji i resublimacji;

  • sporządzać i analizować wykresy ilustrujące zmiany temperatury ciała w procesie ogrzewania, topnienia i parowania substancji.

W doświadczeniach nr 2 i 3 wykonanych w rozdziale 2.12 mogłeś zauważyć, że:

  • dostarczanie ciepła (energii) do mieszaniny wody z lodem nie powodowało wzrostu jej temperatury, tylko topnienie lodu.

  • dostarczanie ciepła (energii) do wrzącej wody nie powodowało wzrostu jej temperatury, lecz wrzenie – czyli parowanie cieczy w całej objętości.

Z tych obserwacji wynika, że zarówno do stopienia ciała stałego, jak i wrzenia (parowania w całej objętości cieczy) niezbędna jest energia.

Co dzieje się z dostarczoną energią? Czy brak zmiany temperatury oznacza, że energia wewnętrzna topniejącego lodu lub wrzącej wody nie uległa zmianie?

Otóż nie oznacza to, że energia wewnętrzna lodu się nie zmieniała. Dostarczone ciepło zostało „zużyte” do stopienia lodu (zmiany struktury wewnętrznej H2O z ciała stałego w ciecz). Jest to związane ze zmianą energii wewnętrznej, a konkretnie z zerwaniem wiązań między cząsteczkami tworzącymi ciało stałe.

Podobnie działo się podczas wrzenia. Dostarczone ciepło zostało „zużyte” na parowanie wody (zmianę struktury wewnętrznej H2O z cieczy w gaz, zwany parą wodną). Jest to związane ze zmianą energii wewnętrznej, a konkretnie z zerwaniem wiązań między cząsteczkami tworzącymi ciecz.

Polecenie 1

Korzystając z definicji energii wewnętrznej, odpowiedz, który ze składników tej energii zmienia się, gdy zmianie ulega temperatura ciała, a który – podczas zmiany stanu skupienia, któremu towarzyszy brak zmiany temperatury.

Poniższy wykres przedstawia zmiany temperatury ciała ogrzewanego przez równomierne dostarczanie ciepła.

Etap AB – odpowiada ogrzewaniu ciała w fazie stałej; dostarczanie ciepła powoduje wzrost temperatury ciała. Nachylenie wykresu zależy od masy ciała i wartości ciepła właściwego substancji w tym stanie skupienia: przy takiej samej masie ciała większe nachylenie (bardziej stromy wykres) oznacza mniejsze ciepło właściwe.

Polecenie 2

Uzasadnij za pomocą odpowiednich zależności, że w przypadku dwóch różnych ciał o takiej samej masie dostarczenie jednakowych ilości ciepła spowoduje większy przyrost temperatury dla ciała o mniejszej wartości ciepła właściwego.

Etap BC – odpowiada topnieniu ciała; punkt Tt na osi temperatury oznacza temperaturę topnienia. Długość odcinka BC zależy od masy ciała i ciepła topnienia substancji: przy takiej samej masie ciała dłuższy odcinek BC oznacza większe ciepło topnienia.

Polecenie 3

Uzasadnij, że długość odcinka BC na wykresie jest tym większa, im większe jest ciepło topnienia tej substancji.

Etap CD – odpowiada ogrzewaniu ciała w fazie ciekłej; dostarczanie ciepła powoduje wzrost temperatury cieczy powstałej ze stopionego ciała. Nachylenie wykresu zależy od masy cieczy i wartości ciepła właściwego substancji w tym stanie skupienia: przy takiej samej masie ciała większe nachylenie (bardziej stromy wykres) oznacza mniejsze ciepło właściwe.
Etap DE – odpowiada procesowi wrzenia cieczy; punkt Tw na osi temperatury oznacza temperaturę wrzenia. Długość odcinka DE zależy od masy ciała i ciepła parowania substancji: przy takiej samej masie ciała dłuższy odcinek DE oznacza większe ciepło parowania.

Etap EF – odpowiada ogrzewaniu ciała w fazie gazowej; dostarczanie ciepła powoduje wzrost temperatury gazu powstałego z odparowanej cieczy. Nachylenie wykresu zależy od masy gazu i wartości ciepła właściwego substancji w tym stanie skupienia: przy takiej samej masie większe nachylenie (bardziej stromy wykres) oznacza mniejsze ciepło właściwe.

Ćwiczenie 1

Gdy ciało oddaje ciepło, to jego temperatura maleje. Tak jest wtedy, gdy zmniejszenie energii wewnętrznej nie powoduje zmiany stanu skupienia.
Ubytek energii wewnętrznej ciała związany jest też z takimi procesami, jak skraplanie i krzepnięcie.

Przykład 1

Oparzenie parą wodną o temperaturze 100°C jest bardziej dotkliwe od oparzenia wodą o tej samej temperaturze. Dlaczego?
Odpowiedź:
W zetknięciu ze skórą człowieka o temperaturze około 37°C zarówno para wodna, jak i gorąca woda oddaje ciepło, ale ciepło oddane przez parę wodną związane jest z ciepłem skraplania, którego wartość to ponad 2 miliony dżuli na kilogram. Natomiast ciepło oddane przez stygnącą wodę związane jest z ciepłem właściwym ciekłej wody, którego wartość to „tylko” nieco ponad 4 tysiące dżuli na kilogram przy zmianie temperatury o jeden stopień. Nawet jeśli pomnożymy to przez różnicę temperatur (63˚C), i tak otrzymamy liczbę znacznie mniejszą niż 2 miliony dżuli, bo ok. 250 tysięcy dżuli na kilogram. W naszych rozważaniach zakładamy jednakową masę pary wodnej i wrzątku stykających się ze skórą człowieka.

Przykład 2

Woda zamarzająca na powierzchni jeziora zmniejsza swoją energię wewnętrzną. Co dzieje się z energią oddaną przez tę zamarzającą warstwę wody?
Odpowiedź:
Energia ta oddawana jest do otoczenia, czyli do powietrza, ale też (co ważne) do głębszych warstw wody. Powoduje to ogrzewanie wody pod powierzchnią tworzącego się lodu. W połączeniu ze zjawiskiem konwekcji (gęstość wody o temperaturze 4°C jest największa) umożliwia to przetrwanie roślinom i zwierzętom w głębi jeziora nawet podczas mroźnej zimy.

* Zmiany energii wewnętrznej zachodzą też w procesie sublimacji

Podsumowanie

  • Topnienie, parowanie i sublimacja to zmiany stanu skupienia, które wymagają dostarczania energii cieplnej (ciepła) do substancji.

  • Dostarczona energia cieplna powoduje wzrost energii wewnętrznej ciała, związany ze zmianą struktury wewnętrznej tej substancji – rośnie energia potencjalna wynikająca z wzajemnych oddziaływań atomów i cząsteczek.

  • Krzepnięcie, skraplanie i resublimacja to zmiany stanu skupienia, które wymagają oddawania energii cieplnej (ciepła) przez substancję.

  • Oddane ciepło powoduje zmniejszenie energii wewnętrznej ciała i wiąże się ze zmianą struktury wewnętrznej substancji – maleje energia potencjalna wynikająca z wzajemnych oddziaływań atomów i cząsteczek.

Praca domowa
Polecenie 4.1
  1. Kiedy wchodzimy do wody o temperaturze 25°C, to na początku czujemy chłód, ale potem wrażenie to znika. Kiedy jednak wychodzimy z wody, to – zwłaszcza gdy wieje wiatr – czujemy, że jest nam zimno, mimo że temperatura powietrza wynosi np. 30°C. Wyjaśnij przyczyny takiego odczuwania temperatury.

  2. Do jednego kilograma wody (lodu) o temperaturze -10°C dostarczane jest ciepło w ilości 210 Jmin.

    1. Oblicz czasy potrzebne na ogrzanie lodu do temperatury 0°C, stopienie lodu, ogrzanie powstałej wody do temperatury 100°C. Załóż, że podczas ogrzewania wody nie zachodzi parowanie.

    2. Wykonaj wykres przedstawiający przebieg zmian temperatury (oś pionowa) tej wody od czasu (oś pozioma).

Zadanie podsumowujące rozdział

Polecenie 5

Do naczynia zawierającego stopiony wosk o stałej temperaturze 61˚C wstawiono drugie mniejsze naczynie z takim samym woskiem, ale w stanie stałym. Czy wosk w mniejszym naczyniu się stopi? Temperatura topnienia wosku wynosi 61˚C. Odpowiedź uzasadnij, odwołując się do zmiany energii w procesie topnienia.