Warto przeczytać

Ogólnie możemy powiedzieć, że ciepło przemiany fazowej, w której następuje zmiana stanu skupienia, to taka ilość energii, która jest niezbędna do tego, aby 1 kg materii zmienił swój stan. Rozróżniamy następujące przemiany fazowe:

1. Topnienie i krzepnięcie, czyli przejście między stanem ciekłym i stałym

Topnienie oznacza przejście ze stanu stałego w ciekły. Potrzebne jest do tego dostarczanie energii, aby cząsteczki ciała stałego mogły uwolnić się ze sztywnej struktury. Podczas procesu topnienia ciała krystalicznego temperatura jest stała, cała pobrana energia w postaci ciepła zostaje zużyta na zerwanie połączeń między cząsteczkami. Temperaturę, w której zachodzi topnienie nazywamy temperaturą topnienia.

CiepłociepłoCiepło topnienia to ilość energii potrzebna do stopienia 1 kilograma substancji. Ciepło topnienia wyraża się wzorem

gdzie $Q$ to ciepło potrzebne do stopienia masy $m$ danej substancji.

Jednostką ciepła topnienia jest $\frac{J}{kg}$.

Krzepnięcie jest procesem odwrotnym do topnienia - ciecz przechodzi w ciało stałe. W procesie tym ciepło jest oddawane w takiej samej ilości, w jakiej było pobrane przy topnieniu. Ciepło krzepnięcia, czyli ciepło oddane przez 1 kg cieczy podczas przemiany w ciało stałe równe jest ciepłu topnienia. Krzepnięcie - tak jak topnienie, w przypadku, gdy faza stała ma postać krystaliczną - zachodzi w stałej temperaturze. Substancja w temperaturze topnienia występuje jako mieszanina faz stałej i ciekłej.

2. Parowanie, wrzenie i skraplanie, czyli przejście między stanem ciekłym i gazowym

Ciecz może zamienić się w parę (gaz) na dwa sposoby: przez parowanie, które zachodzi w każdej temperaturze i polega na powolnym uwalnianiu się cząsteczek z powierzchni cieczy oraz przez wrzenie, podczas którego ciecz w całej objętości gwałtownie zamienia się w parę. Wrzenie zachodzi w stałej temperaturze – temperaturze wrzenia - zależnej od ciśnienia zewnętrznego. Oba procesy - parowanie i wrzenie - wymagają dostarczania energii. Ciepło parowania definiujemy jako energię potrzebną do zamiany 1 kilograma cieczy w gaz.

Skraplanie – proces odwrotny do parowania - polega na zamianie pary w ciecz. Ciepło jest wtedy oddawane w takiej samej ilości, w jakiej było pobrane przy parowaniu.

Więcej informacji o cieple parowania znajdziesz w e‑materiale Ciepło parowania.

Przykładowe wartości ciepła topnienia kilku substancji przedstawiono w Tabeli 1.:

Tabela 1. Ciepło topnienia różnych substancji

Obliczmy dla przykładu, ile ciepła potrzeba do stopienia 3 kg lodu, a ile do stopienia 3 kg ołowiu w temperaturze topnienia. Bezpośrednio z definicji ciepła topnienia dostajemy ilość ciepła potrzebną do stopienia danej masy substancji (w temperaturze topnienia, tj. nie uwzględniamy ogrzewania),

Do stopienia 3 kg wody potrzeba więc $Q=3kg\cdot 333000\frac{J}{kg}=999000J=999kJ$.

Do stopienia 3 kg ołowiu potrzeba $Q=3kg\cdot 23000\frac{J}{kg}=69000J=69kJ$.

Widzimy, że ciepło topnienia wody ma szczególnie dużą wartość. To dlatego wiosną, mimo temperatur powyżej 0Indeks górny o^oC, śnieg jeszcze długo leży.

R1SEKgDlQ6kaX

Rys. 1. Ilustracja poglądowa przedstawia wizualizację góry lodowej - niewielka jej część jest wynurzona ponad powierzchnię morza, natomiast pod powierzchnią wody znajduje się wielokrotnie większa część wielkości całej góry lodowej.

A jaka ilość ciepła wydzieli się podczas krzepnięcia 2 kg miedzi? Zastosujemy ten sam wzór $Q=m{c}_t$, ponieważ miedź odda tyle samo ciepła, ile pobrała podczas topnienia.

Miedź o masie 2 kg podczas krzepnięcia odda do otoczenia ciepło $Q=2kg\cdot 207000\frac{J}{kg}=414000J=414kJ$.

Wyobraźmy sobie, że zimą w ognisku rozgrzano do czerwoności miedziany pręt o masie m = 1 kg, a następnie wrzucono go w głęboki śnieg o temperaturze $0°C$. Obliczmy początkową temperaturę pręta, jeśli stopiło się 0,7 kg śniegu. Pręt oddaje ciepło podczas ochładzania się do temperatury $0°C$. Ciepło oddawane przez pręt pobiera śnieg i topi się, ponieważ jest w temperaturze topnienia. Aby zapisać wzór na ciepło oddane przez pręt, potrzebne jest ciepło właściweciepło właściweciepło właściwe miedzi. Wynosi ono $385\frac{J}{kg\cdot K}$, ciepło topnienia lodu to $333000\frac{J}{kg}$.

Ciepło oddane przez pręt wynosi

zaś ciepło pobrane przez wodę podczas procesu topnienia to

Po przyrównaniu ciepła oddanego i pobranego otrzymujemy

Z powyższego równania wyznaczamy zmianę temperatury pręta, ΔdeltaT:

Ale końcowa temperatura pręta to temperatura topnienia śniegu, czyli ok. 273 Ktemperatura w skali Kelvina (skali bezwzględnej)K, więc temperatura początkowa pręta wynosi

Słowniczek