Warto przeczytać

Woda występuje w trzech stanach skupienia: w stanie stałym jako lód, śnieg, czy szron, w stanie ciekłym oraz w stanie lotnym jako para wodna. Stan skupienia każdej substancji zależy od temperatury i ciśnienia. Diagram fazowy (Rys. 1.) pokazuje przedziały temperatury i ciśnienia, w których woda występuje jako ciecz, lód i para wodna. Linie na diagramie odpowiadają wartościom temperatury i ciśnienia, dla których dwie fazy są w równowadze. Na przykład pod ciśnieniem normalnymciśnienie normalneciśnieniem normalnym, równym 1013 hPa, i w temperaturze 0Indeks górny o^oC lód i woda w stanie ciekłym współistnieją w stałych proporcjach, jeśli tylko nie ma wymiany ciepła z otoczeniem. Oznacza to, że lód i woda są w stanie równowagi termodynamicznej. Podobnie, w temperaturze 100Indeks górny o^oC i przy ciśnieniu normalnymciśnienie normalneciśnieniu normalnym w równowadze mogą znajdować się woda w stanie ciekłym i para wodna. Każda zmiana stanu wody, związana z przekroczeniem linii równowagi dwóch faz, oznacza zmianę stanu skupienia, czyli przemianę fazową.

R199xhF50E2wH

Rys. 1. Na rysunku znajduje się układ współrzędnych, na którego osi poziomej odłożono temperaturę w stopniach Celsjusza, a na osi pionowej ciśnienie w paskalach. Wykres składa się z trzech linii. Pierwsza część wykresu zaczyna się w początku układu współrzędnych i wznosi się łagodnie w górę i w prawo i kończy się w punkcie o współrzędnych: temperatura 0,01 stopni Celsjusza, ciśnienie 612 paskali. Przy linii zapisano słowa: sublimacja i resublimacja. Od punktu końcowego linii, podpisanego jako punkt potrójny, odchodzą dwie pozostałe części wykresu. Druga linia wznosi się stromo w górę i w lewo i podpisana jest jako topnienie i krzepnięcie. Na obszarze między tą linią i linią podpisaną sublimacja i resublimacja zapisano słowo: lód. Trzecia linia zaczynająca się w punkcie potrójnym wznosi się łagodnym łukiem w górę i w prawo i podpisana jest jako wrzenie i skraplanie. Na obszarze między tą linią i linią podpisaną sublimacja i resublimacja zapisano słowa: para wodna. Na obszarze między linią podpisaną topnienie i krzepnięcie i linią podpisaną wrzenie i skraplanie zapisano słowa: woda w stanie ciekłym. Wykres ograniczają przerywane linie pozioma i pionowa, wychodzące z końcowego punktu na linii podpisanej wrzenie i skraplanie o współrzędnych: temperatura 374 stopnie Celsjusza, ciśnienie 22 razy 10 do potęgi szóstej paskali. Punkt ten podpisany jest jako punkt krytyczny. Powyżej puntu potrójnego narysowano przerywaną, poziomą linię prostą dla wartości ciśnienia 1,013 razy 10 do potęgi piątej paskala podpisaną jako ciśnienie normalne. Linia pozioma przecina linię podpisaną jako topnienie i krzepnięcie w punkcie o wartości temperatury zero stopni Celsjusza, a linię podpisaną jako wrzenie i skraplanie w punkcie o wartości temperatury sto stopni Celsjusza.

Topnienie i krzepnięcie, czyli przemiana fazowa między stanem ciekłym i stałym.

Przekroczenie linii opisanej jako „Topnienie i krzepnięcie” w kierunku zwiększającej się temperatury, oznacza zamianę lodu w ciekłą wodę, czyli topnienie lodu.

Cząsteczki lodu są ze sobą połączone, tworząc strukturę krystaliczną. Cząsteczki nie mogą swobodnie się poruszać, a tylko drgają wokół położeń równowagi. Im wyższa temperatura, tym większa jest średnia energia kinetyczna tych drgań. Gdy temperatura osiągnie wartość, zwaną temperaturą topnienia, energia ruchu drgającego cząsteczek jest już tak duża, że zerwane zostają wiązania między cząsteczkami. Lód topi się, zamieniając się w ciekłą wodę. W stanie ciekłym cząsteczki nadal przyciągają się siłami międzycząsteczkowymi, ale mogą swobodnie przemieszczać się między sobą.

Na zerwanie wiązań między cząsteczkami potrzebna jest energia. Topnienie jest procesem wymagającym dostarczania ciepła. Podczas procesu topnienia lodu temperatura jest stała, całe pobierane ciepło zamienia się na zerwanie połączeń między cząsteczkami. Temperatura topnienia lodu zmniejsza się ze wzrostem ciśnienia. To szczególna własność lodu, bo dla większości substancji temperatura topnienia rośnie wraz z ciśnieniem. Taka zależność temperatury topnienia od ciśnienia sprawia, że lodowce powoli płyną (Rys. 2.). Gdy lodowiec osiągnie odpowiednią grubość, ciśnienie wywierane na podstawę powoduje obniżenie temperatury topnienia i lód w dolnych warstwach staje się plastyczny. Powoduje to powolne zsuwanie się lodowca.

Jeśli temperatura wody w stanie ciekłym zmniejsza się (przesuwamy się w lewo na diagramie fazowym), to momencie osiągnięcia temperatury topnienia, następuje zmiana stanu skupienia z ciekłego na stały, czyli krzepnięcie. Temperatura krzepnięcia przy danym ciśnieniu równa jest temperaturze topnienia. Podczas procesu krzepnięcia woda oddaje tyle samo ciepła, ile lód pobrał podczas topnienia.

R113F31Ujxu9c

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia górski krajobraz ze stromymi szczytami pokrytymi białym śniegiem.

Parowanie, wrzenie i skraplanie, czyli przemiana fazowa między stanem ciekłym i lotnym.

Parowanie, które zachodzi w każdej temperaturze, polega na tym, że z powierzchni cieczy wylatują cząsteczki. Jak to się dzieje? 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 jest powolnym procesem i zachodzi tylko na powierzchni cieczy. 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. Zmniejszenie ciśnienia zwiększa szybkość parowania, bo cząsteczka pary, która opuściła ciecz ma mniejsze szanse na zderzenie z cząsteczką powietrza i powrót do cieczy.

Wrzenie to gwałtowne przejście ze stanu ciekłego do stanu gazowego, zachodzące w całej objętości cieczy. Wrzenie wody poznajemy po tym, że w całej objętości tworzą się bąbelki zawierające parę wodną. Temperatura odpowiadająca punktowi na linii równowagi fazy ciekłej i lotnej, to temperatura wrzenia wody przy danym ciśnieniu. Temperatura wrzenia wody zwiększa się, gdy rośnie ciśnienie. To dlatego w wysokich górach, gdzie ciśnienie jest niskie, woda wrze w temperaturze niższej niż 100Indeks górny o^oC.

Jeśli woda i para wodna znajdują się w stanie równowagi, czyli ich temperatura i ciśnienie odpowiadają punktowi na linii oznaczonej na diagramie jako „Wrzenie i skraplanie”, to szybkość przechodzenia cząsteczek wody z cieczy do pary i odwrotnie - z pary do cieczy, jest jednakowa. Para ma największą możliwą gęstość w danej temperaturze. Taką parę nazywamy parą nasyconą.

Zarówno podczas parowania, jak i wrzenia woda pobiera ciepło.

Skraplanie jest procesem odwrotnym do parowania i wrzenia 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. Cząsteczki pary wodnej znajdują się w dużych odległościach od siebie i nawet w niskich temperaturach mało prawdopodobne jest spotkanie w jednym miejscu wielu cząsteczek wody, aby mogła utworzyć się kropelka cieczy. Dlatego para wodna wysoko w atmosferze, gdzie temperatura może wynosić nawet -40Indeks górny o^oC, często jest w stanie przechłodzenia. Oznacza to, że stan pary występuje w warunkach, w których zgodnie z diagramem fazowym woda powinna istnieć w stanie ciekłym lub stałym. Skraplanie pary wodnej i powstawanie chmur zachodzi na jądrach kondensacji. To drobne pyłki i drobinki kurzu, które przyciągają cząsteczki wody i przyczyniają się do tworzenia kropelek wody.

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 tak zwane smugi kondensacyjne widoczne za samolotami odrzutowymi.

Sublimacja i resublimacja, czyli przemiana fazowa między stanem stałym i lotnym.

Kulki naftaliny włożone do szafy dla ochrony ubrań przed molami, wydzielają charakterystyczny zapach. Jak cząsteczki naftaliny dostały się do powietrza? Przecież nie wyparowały, bo naftalina jest w stanie stałym. Proces uwalniania się cząsteczek z ciała stałego i przechodzenia w stan lotny, nazywamy sublimacją. To proces podobny do procesu parowania. Jeśli cząsteczka znajdująca się przy powierzchni ciała stałego, przypadkowo otrzyma większą energię kinetyczną, może uwolnić się z więzów sił międzycząsteczkowych i opuścić ciało stałe. Proces sublimacji obserwujemy również dla lodu. Na przykład podczas mroźnej, ale słonecznej pogody obserwujemy, że ilość śniegu leżącego na ziemi wyraźnie się zmniejsza, choć nie zachodzi topnienie. Sprawia to właśnie proces sublimacji. Podczas sublimacji ciepło jest pobierane.

Procesem odwrotnym do sublimacji jest resublimacja, polegająca na przechodzeniu pary wodnej bezpośrednio w lód. W procesie resublimacji para oddaje do otoczenia ciepło, co powoduje zmniejszenie energii kinetycznych cząsteczek pary wodnej i powstawanie silnych wiązań pomiędzy nimi, czyli utworzenie kryształu. Resublimacja pary wodnej zachodzi wysoko w atmosferze, gdzie na jądrach kondensacji powstają maleńkie kryształki lodu, które mogą następnie rosnąć, tworząc płatki śniegu. Często utworzone podczas resublimacji kryształki lodu, opadając na dół, roztapiają się i docierają na ziemię w postaci deszczu.

Skutkiem resublimacji jest powstawanie szronu. Na skutek szybkiego spadku temperatury para wodna zawarta w powietrzu ulega resublimacji, tworząc na roślinach kryształki lodu (Rys. 3.).

R3ojFKgqLvvgj

Rys. 3. Zdjęcie przedstawia pędy bluszczu, którego zielone i brązowe liście pokryte są szronem, składającym się z drobnych igiełek lodu.

Opisane przykłady sublimacji i resublimacji to procesy powolne, podobne do procesów parowania i skraplania poniżej temperatury wrzenia.

Linia na diagramie fazowym określająca stan równowagi lodu i pary wodnej leży w zakresie niskich ciśnień, mniejszych niż 612 Pa. To ciśnienie 166 razy mniejsze od ciśnienia normalnego. Punkty na tej linii określają warunki, w których para wodna i lód mogą znajdować się w równowadze termodynamicznejrównowaga termodynamicznarównowadze termodynamicznej. Przy przekraczaniu linii podczas zwiększania temperatury lodu, następuje gwałtowna przemiana fazowa lodu w parę wodną. Przy ciśnieniach poniżej 612 Pa woda w ogóle nie występuje w stanie ciekłym, może być tylko lodem lub parą. To dlatego na Marsie nie może występować woda w stanie ciekłym, bowiem panuje tam średnie ciśnienie 600 Pa.

Punkt potrójny.

Punkt, w którym łączą się trzy linie równowagi dwóch faz, nazywamy punktem potrójnym. Przy tych konkretnych wartościach temperatury i ciśnienia wszystkie trzy fazy: lód, para wodna i woda w stanie ciekłym, są w równowadze. Dla wody temperatura punktu potrójnego wynosi 0,01Indeks górny o^oC, a ciśnienie 612 Pa.

Punkt krytyczny.

Na diagramie fazowym znajduje się jeszcze jeden szczególny punkt – punkt krytyczny. Przy krytycznych wartościach temperatury (374,2Indeks górny o^oC) i ciśnienia (22,11 MPa) zanika różnica między cieczą a parą. Powyżej temperatury krytycznej woda nie istnieje w fazie ciekłej – może być tylko parą. Aby zrozumieć, co się dzieje w punkcie krytycznym, wyobraźmy sobie wodę i parę wodną w naczyniu zamkniętym tłokiem. Woda i para nasycona są w równowadze, czyli na diagramie fazowym znajdujemy się na linii równowagi tych dwóch faz. Przesuwanie się w górę wzdłuż tej linii oznacza zwiększanie się temperatury przez dostarczanie ciepła i zwiększanie ciśnienia spowodowane przesuwaniem tłoka i zmniejszaniem objętości pary nasyconej. Para nasycona staje się coraz gęstsza, aż jej gęstość stanie się równa gęstości cieczy. W tym stanie nie można odróżnić już pary od cieczy. Jest to stan krytyczny. Gęstość wody w stanie krytycznym wynosi ρrhoIndeks dolny kr_kr = 317,8 kg/mIndeks górny 3³, czyli jest około 3 razy mniejsza niż gęstość wody w warunkach normalnych (1000 kg/mIndeks górny 3³).

Słowniczek