Zmiany typów stanów i ich charakterystyka (z przykładami)



The zmiany stanu są zjawiskiem termodynamicznym, w którym materia ulega odwracalnym zmianom fizycznym. Mówi się, że jest termodynamiczny, ponieważ wymiana ciepła zachodzi między materią a otoczeniem; lub, co jest tym samym, istnieją interakcje między materią i energią, które indukują przegrupowanie cząstek.

Cząstki, które doświadczają zmiany stanu, pozostają takie same przed i po nim. Ciśnienie i temperatura są ważnymi zmiennymi w sposobie ich umieszczania w jednej lub innej fazie. Gdy następuje zmiana stanu, tworzy się układ dwufazowy, składający się z tego samego materiału w dwóch różnych stanach fizycznych.

Górny obraz pokazuje główne zmiany stanu doświadczane przez materiał w normalnych warunkach.

Solidna kostka niebieskawej substancji może stać się ciekła lub gazowa w zależności od temperatury i ciśnienia otoczenia. Sam w sobie stanowi tylko jedną fazę: stałą. Ale w momencie topnienia, czyli topnienia, ustala się równowaga ciało stałe-ciecz zwana fuzją (czerwona strzałka między sześcianem a niebieskawą kroplą).

Aby nastąpiła fuzja, kostka musi absorbować ciepło z otoczenia, aby zwiększyć temperaturę; dlatego jest to proces endotermiczny. Po całkowitym stopieniu kostki jest jeszcze tylko jedna faza: stanu ciekłego.

Ta niebieskawa kropla może nadal absorbować ciepło, co zwiększa jego temperaturę i prowadzi do powstawania pęcherzyków gazowych. Ponownie istnieją dwie fazy: jedna ciecz i drugi gaz. Gdy cała ciecz odparuje w punkcie wrzenia, wówczas mówi się, że gotowała się lub odparowywała.

Niebieskawe krople przekształciły się w chmury. Do tej pory wszystkie procesy były endotermiczne. Niebieskawy gaz może nadal absorbować ciepło aż do ogrzania; jednak zważywszy na warunki lądowe, przeciwnie, ma tendencję do ochładzania się i kondensacji ponownie w cieczy (kondensacja).

Z drugiej strony chmury można również osadzać bezpośrednio na fazie stałej, ponownie tworząc stałą kostkę (osadzanie). Te dwa ostatnie procesy są egzotermiczne (niebieskie strzałki); to znaczy, uwalniają ciepło do środowiska lub otoczenia.

Oprócz kondensacji i osadzania, zmiana stanu następuje, gdy niebieskawa kropla zamarza w niskich temperaturach (krzepnięcie).

Indeks

  • 1 Rodzaje zmian statusu i ich charakterystyka
    • 1.1 Fuzja
    • 1.2 Parowanie
    • 1.3 Kondensacja
    • 1.4 Krzepnięcie
    • 1.5 Sublimacja
    • 1.6 Osadzanie
  • 2 Inne zmiany statusu
  • 3 referencje

Rodzaje zmian statusu i ich charakterystyka

Obraz pokazuje typowe zmiany dla trzech (najczęstszych) stanów materii: stałej, ciekłej i gazowej. Zmiany, którym towarzyszą czerwone strzałki są endotermiczne, wiążą się z absorpcją ciepła; podczas gdy te, którym towarzyszą niebieskie strzałki, są egzotermiczne, uwalniają ciepło.

Poniżej znajduje się krótki opis każdej z tych zmian, podkreślający niektóre jej cechy z rozumowania molekularnego i termodynamicznego.

Fusion

W stanie stałym cząstki (jony, cząsteczki, klastry itp.) Są „więźniami”, umiejscowionymi w ustalonych pozycjach przestrzeni bez możliwości swobodnego poruszania się. Jednakże są one zdolne do wibrowania przy różnych częstotliwościach, a jeśli są bardzo silne, rygorystyczny porządek narzucony przez siły międzycząsteczkowe zacznie się „kruszyć”..

W rezultacie uzyskuje się dwie fazy: jedną, w której cząstki pozostają zamknięte (stałe), a drugą, w której są bardziej wolne (płynne), wystarczające do zwiększenia odległości, które oddzielają je od siebie. Aby to osiągnąć, ciało stałe musi absorbować ciepło, a tym samym jego cząstki będą wibrować z większą siłą.

Z tego powodu fuzja jest endotermiczna, a kiedy się zaczyna, mówi się, że zachodzi równowaga między fazami ciało stałe-ciecz.

Ciepło niezbędne do wywołania tej zmiany nazywa się ciepłem lub entalpią topnienia topnienia (ΔHFus). Wyraża to ilość ciepła (głównie energii w jednostkach kJ), która musi wchłonąć jeden mol substancji w stanie stałym do stopienia, a nie tylko podnieść jej temperaturę.

Śnieżka

Mając to na uwadze, rozumiesz, dlaczego śnieżka topi się w twojej dłoni (górny obraz). To pochłania ciepło ciała, co wystarcza do podniesienia temperatury śniegu powyżej 0 ° C.

Kryształy lodu obecne w śniegu pochłaniają ciepło tylko po to, by się stopić, a ich cząsteczki wody przybierają bardziej nieuporządkowaną strukturę. Podczas gdy śnieg topnieje, powstająca woda nie zwiększy swojej temperatury, ponieważ całe ciepło dłoni jest wykorzystywane przez śnieg do zakończenia fuzji.

Odparowanie

Kontynuując przykład wody, umieszczając garść śniegu w garnku i rozpalając ogień, obserwuje się, że śnieg szybko się topi. Gdy woda się nagrzewa, w jej wnętrzu zaczynają tworzyć się małe pęcherzyki dwutlenku węgla i inne możliwe gazowe zanieczyszczenia..

Ciepło molekularnie rozszerza nieuporządkowane konfiguracje wody, zwiększając jej objętość i zwiększając ciśnienie pary; dlatego istnieje kilka cząsteczek, które uciekają z produktu powierzchniowego zwiększającego się parowania.

Woda płynna powoli zwiększa swoją temperaturę ze względu na wysokie ciepło właściwe (4,184 J / ° C ∙ g). Nadchodzi punkt, w którym pochłonięte ciepło nie wykorzystuje go już do podniesienia temperatury, ale do rozpoczęcia równowagi ciecz-para; to znaczy, że zaczyna wrzeć i cała ciecz przechodzi w stan gazowy, pochłaniając ciepło i utrzymując stałą temperaturę.

To tutaj obserwuje się intensywne bulgotanie na powierzchni przegotowanej wody (górny obraz). Ciepło absorbowane przez płynną wodę tak, że ciśnienie pary jej początkowych pęcherzyków jest równe ciśnieniu zewnętrznemu, nazywane jest entalpią parowania (ΔHVap).

Rola presji

Presja determinuje także zmiany stanu. Jaki jest wpływ na odparowanie? To przy wyższym ciśnieniu, tym większe ciepło, które woda musi wchłonąć do wrzenia, a zatem odparowuje powyżej 100 ° C.

Dzieje się tak, ponieważ wzrost ciśnienia utrudnia ucieczkę cząsteczek wody z cieczy do fazy gazowej.

Szybkowary korzystają z tego faktu, aby podgrzać żywność w wodzie do temperatury powyżej jej temperatury wrzenia.

Z drugiej strony, ponieważ występuje próżnia lub spadek ciśnienia, ciekła woda potrzebuje niższej temperatury do zagotowania i przejścia do fazy gazowej. Przy dużym lub małym nacisku, w czasie wrzenia woda musi wchłonąć odpowiednie ciepło parowania, aby zakończyć zmianę stanu.

Kondensacja

Woda odparowała. Co dalej? Para wodna może jeszcze zwiększyć swoją temperaturę, stając się niebezpiecznym prądem, który może spowodować poważne oparzenia.

Załóżmy jednak, że zamiast tego chłodzi. Jak? Uwalniając ciepło do środowiska i uwalniając ciepło mówi się, że zachodzi proces egzotermiczny.

Podczas uwalniania ciepła wysokoenergetyczne gazowe cząsteczki wody zaczynają zwalniać. Ponadto ich interakcje zaczynają być bardziej skuteczne, gdy temperatura pary spada. Powstają pierwsze krople wody, skondensowane z pary, a następnie większe kropelki, które przyciągają grawitacja.

Aby całkowicie zniwelować pewną ilość pary, musisz uwolnić tę samą energię, ale z przeciwnym znakiem, do ΔHVap; to znaczy, jego entalpia kondensacji ΔHCond. Zatem równowaga odwrotna, ciecz parowa jest stabilna.

Zwilżone okna

Kondensację można zaobserwować w oknach domów. W zimnym klimacie para wodna wewnątrz domu zderza się z oknem, które ze względu na swój materiał ma niższą temperaturę niż inne powierzchnie.

Cząsteczki pary łatwiej się tam grupują, tworząc cienką białawą warstwę, którą można łatwo usunąć ręcznie. Ponieważ cząsteczki te uwalniają ciepło (podgrzewając szkło i powietrze), zaczynają tworzyć bardziej liczne skupiska, dopóki nie skondensują pierwszych kropli (górny obraz).

Kiedy krople znacznie zwiększają swój rozmiar, przesuwają się przez okno i zostawiają ślad wody.

Krzepnięcie

Z płynnej wody, jakie inne fizyczne zmiany możesz cierpieć? Krzepnięcie z powodu chłodzenia; innymi słowy, zamarza. Aby zamrozić, woda musi uwolnić tę samą ilość ciepła, którą lód pochłonie do stopienia. Ponownie, to ciepło nazywane jest entalpią krzepnięcia lub zamarzania, ΔHCong (-ΔHFus).

Po ochłodzeniu cząsteczki wody tracą energię, a ich oddziaływania międzycząsteczkowe stają się silniejsze i bardziej kierunkowe. W rezultacie są one uporządkowane przez swoje wiązania wodorowe i tworzą tak zwane kryształy lodu. Mechanizm wzrostu kryształów lodu ma wpływ na ich wygląd: przezroczysty lub biały.

Jeśli kryształy lodu rosną bardzo powoli, nie zamykają zanieczyszczeń, takich jak gazy, które w niskich temperaturach są rozpuszczane w wodzie. W ten sposób pęcherzyki uciekają i nie mogą oddziaływać ze światłem; i dlatego lód jest tak przezroczysty jak niezwykły posąg lodu (górny obraz).

To samo dzieje się z lodem, może się zdarzyć z każdą inną substancją, która krzepnie przez chłodzenie. Być może jest to najbardziej złożona zmiana fizyczna w warunkach lądowych, ponieważ można uzyskać kilka polimorfów.

Sublimacja

Czy można sublimować wodę? Nie, przynajmniej nie w normalnych warunkach (T = 25 ° C, P = 1 atm). Aby nastąpiła sublimacja, to znaczy zmiana stanu z ciała stałego na gaz, ciśnienie pary substancji stałej musi być wysokie.

Istotne jest również, aby ich siły międzycząsteczkowe nie były zbyt silne, najlepiej jeśli składają się tylko z sił rozproszenia

Najbardziej charakterystycznym przykładem jest stały jod. Jest to krystaliczna substancja stała o szarawo-purpurowej barwie, która ma wysokie ciśnienie pary. Dzieje się tak, ponieważ w jego wyniku uwalniana jest fioletowa para, której objętość i ekspansja stają się zauważalne po podgrzaniu.

Górny obraz pokazuje typowy eksperyment, w którym stały jod jest odparowywany w szklanym pojemniku. Interesujące i uderzające jest obserwowanie, jak rozproszone są fioletowe opary, a inicjowany uczeń może zweryfikować brak płynnego jodu.

Jest to główna cecha sublimacji: nie ma obecności fazy ciekłej. Jest również endotermiczny, ponieważ ciało stałe absorbuje ciepło, aby zwiększyć ciśnienie pary, aby dopasować się do ciśnienia zewnętrznego.

Osadzanie

Równolegle do eksperymentu sublimacji jodu mamy jego depozycję. Osadzanie jest odwrotną zmianą lub przejściem: substancja przechodzi ze stanu gazowego w ciało stałe bez tworzenia fazy ciekłej.

Kiedy fioletowe opary jodu wchodzą w kontakt z zimną powierzchnią, uwalniają ciepło, aby je ogrzać, tracąc energię i przegrupowując swoje molekuły z powrotem do szaro-fioletowego ciała stałego (górny obraz). Jest to proces egzotermiczny.

Depozycja jest szeroko stosowana do syntezy materiałów, w których są domieszkowane atomami metalu za pomocą zaawansowanych technik. Jeśli powierzchnia jest bardzo zimna, wymiana ciepła między nią a cząstkami pary jest gwałtowna, pomijając przejście przez odpowiednią fazę ciekłą.

Ciepło lub entalpia osadzania (a nie depozyt) jest odwrotnością sublimacji (ΔHSub= - ΔHDep). Teoretycznie wiele substancji można wysublimować, ale aby to osiągnąć, konieczne jest manipulowanie ciśnieniami i temperaturami, poza tym trzeba mieć swój diagram P vs T pod ręką; w którym można wizualizować jego odległe możliwe fazy.

Inne zmiany statusu

Chociaż nie ma o nich wzmianki, istnieją inne stany materii. Czasami charakteryzują się tym, że mają „trochę każdego”, a zatem są ich kombinacją. Aby je wygenerować, ciśnienia i temperatury muszą być manipulowane przy bardzo pozytywnych (dużych) lub ujemnych (małych) wielkościach.

Tak więc, na przykład, jeśli gazy są nadmiernie ogrzewane, utracą swoje elektrony, a ich dodatnio naładowane jądra w tym ujemnym przypływie będą stanowić tak zwaną plazmę. Jest synonimem „gazu elektrycznego”, ponieważ ma wysoką przewodność elektryczną.

Z drugiej strony, obniżając zbyt mocno temperaturę, materia może zachowywać się nieoczekiwanie; to znaczy wykazują wyjątkowe właściwości wokół zera absolutnego (0 K).

Jedną z tych właściwości jest nadciekłość i nadprzewodnictwo; jak również powstawanie kondensatów Bosego-Einsteina, gdzie wszystkie atomy zachowują się jak jeden.

Nawet niektóre badania wskazują na materię fotoniczną. W nich cząsteczki promieniowania elektromagnetycznego, fotony, są grupowane w celu utworzenia cząsteczek fotonicznych. Oznacza to, że teoretycznie daje masę ciałom światła.

Referencje

  1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19 listopada 2018 r.). Lista zmian fazy między stanami materii. Źródło: thinkco.com
  2. Wikipedia. (2019). Stan rzeczy Źródło: en.wikipedia.org
  3. Dorling Kindersley. (2007). Zmiana stanów. Źródło: factmonster.com
  4. Meyers Ami. (2019). Zmiana fazy: parowanie, kondensacja, zamrażanie, topienie, sublimacja i osadzanie. Studiować Źródło: study.com
  5. Bagley M. (11 kwietnia 2016 r.). Materia: Definicja i pięć stanów materii. Źródło z: livescience.com
  6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia (8 wyd.). CENGAGE Learning.