Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Udostępnij materiał Zapisz jako PDF

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.

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

ct=Qm,

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

Jednostką ciepła topnienia jest Jkg.

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

Substancja

Ciepło topnienia [kJ/kg]

Miedź

207

Ołów

23

Srebro

105

Woda (lód)

333

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),

Q=mct.

Do stopienia 3 kg wody potrzeba więc Q=3kg333000Jkg=999000J=999kJ.

Do stopienia 3 kg ołowiu potrzeba Q=3kg23000Jkg=69000J=69kJ.

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

R1SEKgDlQ6kaX
Rys. 1. Góra lodowa

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

Miedź o masie 2 kg podczas krzepnięcia odda do otoczenia ciepło Q=2kg207000Jkg=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 właściwe miedzi. Wynosi ono 385JkgK, ciepło topnienia lodu to 333000Jkg.

Ciepło oddane przez pręt wynosi

Q=mCucCuΔT,

zaś ciepło pobrane przez wodę podczas procesu topnienia to

Q=mH2OcH2O.

Po przyrównaniu ciepła oddanego i pobranego otrzymujemy

mCucCuΔT=mH2OcH2O.

Z powyższego równania wyznaczamy zmianę temperatury pręta, ΔT:

Δ T=mH2OcH2OmCucCu=0,7kg333000Jkg1kg385JkgK=605K.

Ale końcowa temperatura pręta to temperatura topnienia śniegu, czyli ok. 273 K, więc temperatura początkowa pręta wynosi

Tpoczątkowa=605K+273K=878Klub605 ° C

Słowniczek

ciepło
ciepło

(ang. heat) - termin ten ma dwa znaczenia:

  1. Ciepło to forma przekazywania energii pomiędzy ciałami, związana z różnicą ich temperatur. Energia jest samoistnie przekazywana od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze.

  2. Ciepło - tradycyjnie - to nazwa dla formy energii (czasami zwanej też energią termiczną). Ciepło jest rozumiane wtedy jako składowa energii wewnętrznej układu. Jest to określenie nieprecyzyjne.

Należy każdorazowo wywnioskować z kontekstu, o które z tych dwóch znaczeń chodzi.

ciepło właściwe
ciepło właściwe

(ang. specific heat) - ciepło potrzebne do ogrzania 1 kg substancji o 1 K. Z danych doświadczalnych możemy wyznaczyć je z pomocą wzoru cw=Qm Δ T, gdzie Q ciepło pobrane przez ciało o masie m skutkiem czego temperatura zmienia się o  Δ T.

temperatura w skali Kelvina (skali bezwzględnej)
temperatura w skali Kelvina (skali bezwzględnej)

(ang. absolute temperature) - miara średniej energii kinetycznej cząsteczek. Wartość temperatury w skali Kelvina T obliczamy dodając do wartości temperatury w skali Celsjusza temperaturę topnienia wody, tj. ok. 273.15 K.