Warto przeczytać

W codziennym życiu spotykamy trzy podstawowe stany skupienia materii, czyli fazy materii. Są to: faza stała, ciekła i gazowa. O własnościach substancji decyduje ułożenie jej cząsteczek i ich wzajemne oddziaływanie.

1. Faza stała

Ciała stałe to takie, których kształt i objętość jest zachowana. Ich cząsteczki lub atomy (molekuły) są ze sobą połączone, tworząc siatkę krystaliczną. Ułożenie molekuł, tworzących kryształ, może być różne dla danej substancji. Na przykład, węgiel może występować w postaci grafitu i diamentu, woda w stanie stałym – w postaci lodu i śniegu. W niektórych ciałach stałych cząsteczki nie tworzą uporządkowanej struktury – kryształu, tylko są rozłożone chaotycznie. Ciała takie nazywamy bezpostaciowymi. Należą do nich szkło, guma, masy plastyczne, tłuszcze.

RW3Mp5KqU2AVP

Rys. 1. Zdjęcie poglądowe przedstawia pokruszone kawałki lodu.

Cząsteczki ciała stałego silnie się przyciągają i nie mogą zmieniać swojego położenia, a tylko drgają wokół położeń równowagi.

2. Faza ciekła

Ciecz łatwo zmienia kształt, przyjmuje kształt naczynia. Trudno natomiast zmienić jej objętość. Cząsteczki cieczy oddziałują na siebie siłami przyciągającymi, ale mogą swobodnie się przemieszczać w obrębie cieczy.

RiCG8ZqPRdjlu

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia powierzchnię wody i spadającą na nią kroplę. Na wodzie widać rozchodzącą się falę w postaci okręgów.

3. Faza gazowa

Objętość i kształt gazu można łatwo zmieniać.

Cząsteczki gazugaz doskonałygazu są od siebie tak oddalone, że oddziaływania między nimi są pomijalnie małe. Cząsteczki mogą swobodnie się poruszać w całej dostępnej objętości – gaz przyjmuje objętość naczynia, w którym się znajduje.

RfwQgXLHruCgi

Rys. 3. Rysunek przedstawia 3 naczynia w kształcie pionowo ustawionych cylindrów. W pierwszym naczyniu jest kilka plastikowych klocków. Drugie naczynie do połowy wypełnione jest cieczą. W całej objętości cieczy narysowano wiele kulek, symbolizujących cząsteczki cieczy. Cząsteczki znajdują się blisko siebie i rozmieszczone są losowo. W trzecim naczyniu znajduje się niewiele cząsteczek gazu, które są w dużych odległościach od siebie. Część cząsteczek ulatuje z naczynia.

Przejścia między tymi fazami nazywamy przemianami fazowymiprzemiana fazowaprzemianami fazowymi I rodzaju. Są to przejścia między stanem ciekłym i stałym, gazowym i ciekłym oraz gazowym i stałym.

a) Przejście między stanem ciekłym i stałym, czyli topnienie i krzepnięcie.

RGTjzL7wPgENv

Rys. 4. Zdjęcie poglądowe przedstawia topniejące kostki lodu.

Zwiększanie temperatury ciała stałego związane jest ze zwiększaniem się średniej energii kinetycznej cząsteczek wykonujących ruchy drgające. Gdy ta energia osiągnie odpowiednio dużą wartość, zerwane zostają więzy utrzymujące cząsteczki w jednym miejscu i cząsteczki mogą swobodnie przemieszczać się. Ciało stałe zamienia się w ciecz, czyli topnieje. Temperaturę, w której zachodzi topnienie nazywamy temperaturą topnienia. Na pokonanie przyciągających sił międzycząsteczkowych potrzebna jest energia. Topnienie jest procesem wymagającym dostarczania ciepła. Podczas procesu topnienia ciała krystalicznego temperatura nie zmienia się, całe pobierane ciepło zamienia się na zerwanie połączeń między cząsteczkami. Inaczej topią się ciała bezpostaciowe, nie posiadające struktury krystalicznej. Nie można dla nich określić temperatury topnienia. Gdy ich temperatura rośnie, stają się coraz bardziej plastyczne i w końcu zamieniają się w ciecz. Rys. 5. przedstawia zmiany temperatury od czasu podczas topnienia ciała krystalicznego i bezpostaciowego, gdy w sposób jednostajny dostarczane jest ciepło.

R11oQKx8w2fUi

Rys. 5a. Na rysunku jest wykres. Na osi poziomej odłożony jest czas, na osi pionowej temperatura małe t. Wykres ma kształt linii łamanej, składającej się z trzech odcinków. Wykres zaczyna się w pobliżu punktu przecięcia osi. Początkowo jest linią prostą biegnącą w górę i w prawo. Przy tej linii jest napis ciało stałe. Gdy wykres osiąga temperaturę topnienia oznaczoną jako małe t z indeksem dolnym t, staje się linią prostą równoległą do osi poziomej. Przy tym fragmencie wykresu jest napis topnienie. Kolejny fragment wykresu znów staje się linią prostą biegnącą w górę i w prawo. Przy tej linii jest napis ciecz.

R1bs1mvtj9ef3

Rys. 5b. Na rysunku jest wykres. Na osi poziomej odłożony jest czas, na osi pionowej temperatura małe t. Kształt wykresu jest podobny do kształtu wykresu z rysunku 5a, ale nie jest to linia łamana, składająca się z trzech odcinków. Trzy fragmenty wykresu połączone są ze sobą łagodnymi łukami. Przy dolnym, wznoszącym się, fragmencie wykresu jest napis ciało stałe. Przy środkowym poziomym fragmencie wykresu jest napis faza przejściowa. Przy górnym, wznoszącym się, fragmencie wykresu jest napis ciecz.

Ciecz w otoczeniu o temperaturze niższej od temperatury topnienia (na przykład w zamrażalniku) oddaje ciepło i jej temperatura się zmniejsza. Oznacza to, że cząsteczki cieczy poruszają się coraz wolniej, zmniejsza się ich średnia energia kinetyczna. W końcu energia kinetyczna cząsteczek staje się mniejsza od energii oddziaływania międzycząsteczkowego i cząsteczki zostają uwięzione, tworząc kryształ. Jest to proces krzepnięcia. Zachodzi on w stałej temperaturze, choć w jego trakcie maleje energia wewnętrzna krzepnącej cieczy. Temperatura krzepnięcia równa jest temperaturze topnienia.

b) Przejście między stanem ciekłym i gazowym, czyli parowanie i skraplanie.

Cząsteczki cieczy poruszają się z różnymi prędkościami we wszystkich kierunkach. Jeśli cząsteczka cieczy znajdzie się blisko powierzchni i w wyniku zderzenia z inną cząsteczką uzyska odpowiednio dużą energią kinetyczną, to może przezwyciężyć siły przyciągania od innych cząsteczek cieczy i opuścić ciecz. Parowanie, które zachodzi w każdej temperaturze, polega na tym, że z powierzchni cieczy wylatują cząsteczki. Cząsteczki opuszczające ciecz mają energie kinetyczne większe od występujących przeciętnie. Tak więc w wyniku parowania średnia energia kinetyczna pozostałych cząsteczek cieczy maleje, czyli obniża się temperatura cieczy. To dlatego marzniemy w mokrym ubraniu.

Szybkość parowania zależy od temperatury, ciśnienia i ruchu powietrza nad powierzchnią parującej cieczy. Jeśli temperatura jest wyższa, to więcej cząsteczek będzie miało dostatecznie dużą energię kinetyczną, aby opuścić powierzchnię cieczy. Ruch powietrza nad powierzchnią cieczy przyczynia się do tego, że nad powierzchnią nie zbiera się para. Cząsteczki, które opuściły ciecz są usuwane i nie mogą już do niej powrócić. To dlatego dmuchanie na gorącą potrawę przyspiesza jej stygnięcie. Zmniejszenie ciśnienia zwiększa szybkość parowania, bo cząsteczka pary, która opuściła ciecz, ma mniejsze szanse na zderzenie z cząsteczką powietrza i powrót do cieczy.

Wrzenie cieczy

R1L49UWy99m4f

Rys. 6. Zdjęcie przedstawia wrzącą ciecz. W całej objętości cieczy widać bąble zawierające parę.

Zamiana cieczy w parę w całej objętości cieczy to wrzenie. Wrzenie wody poznajemy po tym, że w całej objętości tworzą się bąble zawierające parę wodną. Wrzenie zachodzi w określonej temperaturze zwanej temperaturą wrzenia. Proces wrzenia wymaga dostarczania energii w formie ciepła. Ciepło to nie powoduje zwiększania się temperatury. Energia jest zużywana na pokonanie przyciągających sił międzycząsteczkowych. Temperatura zaczyna rosnąć dopiero, gdy cała ciecz zamieni się w parę. Wykres pokazujący zmiany temperatury podczas procesu wrzenia, pokazany jest na Rys. 7.

RnpVxHQ7m1cnw

Rys. 7. Na rysunku jest wykres. Na osi poziomej odłożony jest czas, na osi pionowej temperatura małe t. Wykres ma kształt linii łamanej, składającej się z trzech odcinków. Wykres zaczyna się w pobliżu punktu przecięcia osi. Początkowo jest linią prostą biegnącą w górę i w prawo. Przy tej linii jest napis ciecz. Gdy wykres osiąga temperaturę wrzenia oznaczoną jako małe t z indeksem dolnym w, staje się linią prostą równoległą do osi poziomej. Przy tym fragmencie wykresu jest napis wrzenie. Kolejny fragment wykresu znów staje się linią prostą biegnącą w górę i w prawo. Przy tej linii jest napis para.

Skraplanie jest procesem odwrotnym do parowania i polega na zamianie pary w ciecz. Podczas skraplania para oddaje do otoczenia ciepło dokładnie w takiej ilości, jakie pobrała podczas parowania lub wrzenia. Aby doprowadzić do skroplenia pary, należy ją oziębić lub sprężyć. Skraplanie często obserwujemy w życiu codziennym, gdy w zimny dzień para wodna skrapla się na szybie samochodu lub na szkłach okularów. Nad czajnikiem z gotującą się wodą unosi się biały obłoczek potocznie zwany parą. Jednak to, co widzimy, nie jest parą wodną, bo ta jest niewidoczna. Para unosząca się nad czajnikiem trafia na chłodne powietrze i skrapla się tworząc drobniutkie kropelki – mgiełkę. To właśnie tę mgiełkę widzimy. Z drobnych kropelek skroplonej pary wodnej składają się chmury, mgła i tzw. smugi kondensacyjne widoczne za samolotami odrzutowymi.

c) Przejście między stanem stałym i gazowym, czyli sublimacja i resublimacja.

Sublimacja to przejście ze stanu stałego w gazowy. Odbywa się podobnie jak parowanie – cząsteczka przy powierzchni ciała przypadkowo uzyskuje energię kinetyczną wystarczającą do oderwania się od pozostałych cząsteczek i przechodzi do stanu gazowego. Podczas sublimacji ciało pobiera ciepło. Możemy obserwować ten proces, gdy w zimowy, mroźny, ale słoneczny dzień ilość śniegu wyraźnie się zmniejsza, choć nie obserwujemy topnienia śniegu. Inny przykład to uprana bielizna wywieszona zimą na balkonie, która po pewnym czasie wysycha. Procesem odwrotnym do sublimacji jest resublimacja, czyli bezpośrednie przechodzenie od stanu gazowego do stałego. W procesie resublimacji gaz oddaje do otoczenia ciepło, co powoduje zmniejszenie energii kinetycznych cząsteczek gazu i powstawanie silnych wiązań pomiędzy nimi, czyli utworzenie kryształu.

Przykładem resublimacji pary wodnej jest powstawanie szronu (Rys. 8.).

RYz86ydfE8Wn8

Rys. 8. Zdjęcie przedstawia w powiększeniu gałązkę pokrytą szronem. Cała gałązka jest pokryta kryształkami lodu o regularnych kształtach słupków i gwiazdek.

Słowniczek