Warto przeczytać

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

Cząsteczki ciała stałego silnie się przyciągają i nie mogą się swobodnie przemieszczać, a jedynie drgają wokół swoich położeń równowagi. Ciała stałe występują zwykle w postaci krystalicznej charakteryzującej się regularną budową. Ich cząsteczki lub atomy (molekuły) tworzą tzw. siatkę krystaliczną. Cechą budowy krystalicznej jest tzw. uporządkowanie dalekiego zasięgu, które polega na tym, że ten sam schemat ułożenia molekuł powtarza się wielokrotnie, obejmując cały kryształ.

Niektóre ciała stałe występują w stanie amorficznym, czyli bezpostaciowym. Na pierwszy rzut oka, cząsteczki tworzące ciała amorficzne są ułożone w sposób dość przypadkowy, ale po głębszej analizie można w nich zauważyć lokalne uporządkowanie, tzw. uporządkowanie bliskiego zasięgu (Rys. 1.). Przykładami ciał amorficznych są: woski i parafiny, szkło, guma i.in.

R1MlW1TW0orHp

Rys. 1. Ilustracja przedstawia dwa rysunki a i b. Rysunek a. przedstawia rozkład atomów w ciele stałym krystalicznym. W strukturze tego ciała stałego widać dwa rodzaje atomów: czerwone większe i niebieskie mniejsze. Atomy są ułożone w postaci zamkniętych figur geometrycznych naprzemiennie czerwone z niebieskimi. Każda z takich figur to w tym przypadku sześciokąt foremny. Rysunek b. przedstawia rozkład atomów w ciele stałym amorficznym. W strukturze tego ciała stałego widać dwa rodzaje atomów: czerwone większe i niebieskie mniejsze. Atomy są ułożone w postaci zamkniętych figur geometrycznych naprzemiennie czerwone z niebieskimi. Każda z takich figur ma inny nieokreślony kształt.

Cząsteczki cieczy oddziałują na siebie siłami przyciągającymi, ale mogą swobodnie się przemieszczać w obrębie cieczy. W cieczy występuje tylko uporządkowanie bliskiego zasięgu.

W gazach rozmieszczenie cząsteczek jest chaotyczne i żadne uporządkowanie nie występuje. Cząsteczki gazu są od siebie tak oddalone, że oddziaływania między nimi są pomijalnie małe. Cząsteczki mogą się swobodnie poruszać w całej dostępnej objętości – gaz przyjmuje objętość naczynia, w którym się znajduje.

Z codziennych obserwacji wiemy, że przy zwiększaniu temperatury ciała stałe zamieniają się w ciecze, a przy dalszym zwiększaniu temperatury - stają się gazami. Przy oziębianiu występują procesy odwrotne. Gazy przechodzą w stan ciekły, a podczas dalszego spadku temperatury – w stan stały. Przemiany te nazywamy przemianami fazowymiprzemiana fazowaprzemianami fazowymi. Należą do nich: topnienie, wrzenie, skraplanie i krzepnięcie. To, czy określona substancja będzie w stanie stałym, ciekłym czy gazowym, zależy od temperatury i od ciśnienia panującego nad jej powierzchnią.

Zwiększanie temperaturytemperaturatemperatury 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 zaczynają się swobodnie przemieszczać. 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 zostaje wykorzystane na zerwanie połączeń między cząsteczkami i zwiększenie odległości między nimi. Gdy cząsteczki oddalają się od siebie, zwiększa się energia potencjalna oddziaływań międzycząsteczkowych. Podczas topnienia całe pobrane ciepło zostaje zamienione na energię potencjalną cząsteczek, przy czym ich średnia energia kinetyczna, a więc i temperatura, pozostają stałe.

Z doświadczeń wiadomo, że proces topnienia ciał amorficznych przebiega nico inaczej niż krystalicznych. Dla ciał bezpostaciowych nie można dokładnie określić temperatury topnienia, a jedynie zakres temperatur, w których następuje zmiana fazy stałej w ciekłą. Gdy ich temperatura rośnie, stają się coraz bardziej miękkie i plastyczne, aż w końcu zamieniają się w ciecz. Rys. 2. pokazuje, w jaki sposób zmiany temperatury zależą od czasu podczas topnienia ciała krystalicznego i amorficznego, w sytuacji, gdy do obydwu ciał ciepło jest dostarczane w takim samym, stałym tempie.

RD8N4DLFalH9n

Rys. 2. Ilustracja przedstawia dwa wykresy a i b. Wykres a. przedstawia zależność temperatury od czasu równomiernego podgrzewania umieszczony w prostokątnym układzie współrzędnych. Kiedy mamy do czynienia z ciałem stałym lub cieczą podczas równomiernego ich ogrzewania ich temperatura rośnie liniowo. Podczas topnienia natomiast w przypadku ciała krystalicznego temperatura cały czas pozostaje stała. Wykres b. przedstawia zależność temperatury od czasu równomiernego podgrzewania umieszczony w prostokątnym układzie współrzędnych. Kiedy mamy do czynienia z ciałem stałym lub cieczą podczas równomiernego ich ogrzewania ich temperatura rośnie liniowo. Podczas topnienia natomiast w przypadku ciała amorficznego temperatura cały czas się zmienia i to tylko w przybliżeniu liniowo.

Ciecz w otoczeniu o temperaturze niższej od temperatury topnienia (na przykład woda wstawiona do zamrażalnika) 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 na tyle mała, że cząsteczki zostają uwięzione, tworząc kryształ. Zjawisko to jest nazywane krzepnięciem. Krzepnięcie ciał krystalicznych zachodzi w stałej temperaturze. Natomiast krzepnięcie ciał amorficznych zachodzi stopniowo w pewnym przedziale temperatur.

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 energię kinetyczną, to może przezwyciężyć siły przyciągania od innych cząsteczek cieczy i opuścić ciecz. Parowanie, które zachodzi w każdej temperaturzetemperaturatemperaturze, polega na tym, że z powierzchni cieczy wylatują cząsteczki (Rys. 3.) Cząsteczki opuszczające ciecz mają duże energie kinetyczne i w wyniku parowania średnia energia kinetyczna pozostałych cząsteczek cieczy maleje, czyli obniża się temperatura cieczy.

Rk0kY6l8mLw5H

Rys. 3. Rysunek składa się z dwóch części. Po lewej stoi pojemnik zawierający ciecz w postaci cząsteczek, z których część unosi się nad jej powierzchnią (część cząsteczek odparowała). Poi prawej stoi pojemnik zawierający ciecz w postaci cząsteczek, z których część unosi się nad jej powierzchnią (część cząsteczek odparowała). Nad cieczą w pojemniku po prawej unosi się więcej cząsteczek pary, ponieważ ciecz ma tu wyższą temperaturę.

Z wrzeniem mamy do czynienia wtedy, gdy ciecz zamienia się w parę w całej objętości. Wrzenie wody poznajemy po tym, że w całej objętości tworzą się bąble zawierające parę wodną (Rys. 4.).

Rm8RmgzbGY5Ev

Rys. 4. Zdjęcie poglądowe przedstawia przezroczysty szklany garnek z uchem stojący na kuchence gazowej i podgrzewany. W garnku wrze woda.

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 i zwiększenie energii potencjalnej cząsteczek. Temperatura zaczyna rosnąć dopiero, gdy cała ciecz zamieni się w parę. Wykres ilustrujący zmiany temperatury podczas procesu wrzenia, jest pokazany na Rys. 5.

R159Np2ETjx2s

Rys. 7. Rysunek przedstawia wykres zależności temperatury od czasu równomiernego podgrzewania umieszczony w prostokątnym układzie współrzędnych. Kiedy mamy do czynienia z cieczą lub parą podczas równomiernego ich ogrzewania ich temperatura rośnie liniowo. Podczas wrzenia natomiast temperatura pozostaje stała.

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 (Rys. 6.).

R12wl8qabbuCh

Rys. 6. Zdjęcie poglądowe przedstawia „zaparowaną” szybę, na której skropliła się para wodna zawarta w powietrzu. Na szybie ktoś narysował palcem kształt serca.

Słowniczek