I.7. Transformări de stare de agregare.

• I.7.1. Stările de agregare ale corpurilor.
• I.7.2. Transformări de stări de agregare.
  • I.7.2.1. Topirea și solidificarea.
  • I.7.2.2. Vaporizarea și condensarea.
  • I.7.2.3. Lichefierea gazelor.
  • I.7.2.4. Sublimarea și desublimarea.
  • I.7.2.5. Călduri latente.

I.7.1. Stările de agregare ale corpurilor.

La solide forțele de atracție dintre particule sunt foarte mari și distanțele dintre particule sunt foarte mici. Solidele cristaline au atomii (ionii) așezați ordonat într-o anumită formă, numită rețea cristalină. Ei execută numai mișcări de oscilație în jurul unor poziții fixe, numite nodurile rețelei. Atomii solidului se atrag considerabil.
Iată de ce solidele au și formă și volum proprii, sunt incompresibile.

La lichide forțele de atracție dintre particule sunt mai mici ca la solide și distanțele dintre particule sunt puțin mai mari ca la solide. Moleculele execută atât mișcări de oscilație , cât și de translație. Moleculele se mișcă unele față de altele și se atrag puțin.
Iată de ce lichidele nu au formă, dar au volum propriu, sunt incompresibile.

La gaze forțele de atracție dintre particule sunt foarte mici (neglijabile) și distanțele dintre particule sunt foarte mari. Moleculele execută atât mișcări de rotație , cât și de translație . Moleculele se mișcă mult unele față de altele (au loc suficient) și nu se atrag.
Iată de ce gazele nu au formă, nu au volum propriu și sunt compresibile.

I.7.2. Transformări de stări de agregare.

În următoarea schemă sunt definite toate cele șase fenomene care au loc cu schimbarea stării de agregare:

Fenomenele care au loc cu schimbarea stării de agregare se studiază pe perechi, fiecare pereche având două fenomene opuse.

I.7.2.1. Topirea și solidificarea.

Topirea este fenomenul de trecere unei substanțe din stare solidă în stare lichidă, prin încălzire.

Solidificarea este fenomenul invers topirii și constă în trecerea unei substanțe din stare lichidă în stare solidă, prin răcire.

👀 Experiment:Cum se topește gheața ?

Materiale necesare:
Gheață, pahar transparent și un termometru (poate fi și de cameră).

Descrierea experimentului:

• Pune în pahar gheață de la congelator.
• Introdu termometrul în gheață.
• Agită continuu cu termometru gheața.
• Urmărește indicațiile termometrului în timp, de la apariția primei picături până la topirea completă a gheții.

Concluzia experimentului:
Gheața începe să se topească la 0°C. Pe parcursul topirii(de la apariția primei picături până la topirea ultimului cristal), temperatura a rămas la 0°C.

Legile topirii/solidificării:

I. Fiecare substanță începe să se topească (să se solidifice) la o anumită temperatură, numită temperatură de topire (notată cu T_t), care este o constantă de material (o luăm din tabel).

Temperatura de topire a unei substanțe coincide cu temperatura de solidificare (T_s).

T_t = T_s = constantă de material

🔦 Observații la legea I:

1. Temperaturile de topire ale substanțelor din tabelul cu constante de material sunt pentru presiuni normale. Pentru marea majoritate a substanțelor la creșterea presiunii, crește și temperatura de topire.

La unele substanțe (apa, fonta, bismutul) temperatura de topire scade la creșterea presiunii. Așa explicăm alunecarea frumoasă a patinatorilor pe gheață.

Presiunea mare exercitată de lamele ascuțite ale patinelor și pe care se distribuie greutatea patinatorilor, face ca gheața să se topească la o temperatură mai mică de 0°C. De exemplu, deși gheața unui patinoar artificial are -5°C, datorită presiunii mari, aceasta se topește sub muchia patinei, unde apare o peliculă de apă, care facilitează alunecarea patinelor.

2. Există anumite substanțe numite amorfe (care nu au structură cristalină- exemple: ceara, sticla, smoala, cauciucuri, mase plastice), care nu au un punct fix de topire , ele topindu-se într-un anumit interval de temperatură.

3. În timpul topirii (respectiv, solidificării) volumul substanței se modifica astfel: majoritatea substanțelor își măresc volumul la topire și își micșorează volumul la solidificare. Ca excepții avem apa, fonta și bismutul, care își măresc volumul la solidificare (aceasta este anomalia apei).

Legile topirii/solidificării:

II. Pe parcursul topirii unei substanțe (de la apariția primei picături până la topirea ultimului cristal) temperatura de topire rămâne constantă, dacă presiunea ramâne constantă.

👀 Experiment:Anomalia apei

Materiale necesare:
O sticlă, apă de la robinet, congelator.

Descrierea experimentului:

• Umple o sticlă cu apă.
• Introdu sticla la congelator, până îngheață toată apa.
• Ce observi ?

  Apa înghețată a dat pe dinafară.

Concluzia experimentului:
Apa la înghețare (solidificare) și-a mărit volumul (anomalia apei).

🔦 Observație

Apa are un comportament diferit între 0 °C – 4 °C (numită anomalia apei). În acest interval volumul ei scade, densitatea creşte ( la + 4 °C, având densitatea maximă ). Deci pe fundul lacurilor există apă la + 4 °C, ce face posibilă viaţa subacvatică.

I.7.2.2. Vaporizarea și condensarea.

Vaporizarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare lichidă în stare gazoasă (vapori), prin încălzire.

Condensarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare gazoasă în stare lichidă, prin răcire. Este fenomenul invers al vaporizării.

Vaporizarea poate avea loc în două moduri:

a) Evaporarea este vaporizarea care are loc doar la suprafața lichidului.

b) Fierberea este vaporizarea care are loc în toată masa lichidului și începe odată cu apariția primului clocot.

Factorii ce influențează viteza de evaporare a unui lichid sunt:

• Natura substanței: unele substanțe (acetona, eterul, benzina, alcoolul etc.), numite lichide volatile se evaporă foarte repede, altele se evaporă mai încet (apa, uleiul).

• Gura vasului (suprafața de evaporare): cu cât este mai mare, evaporarea are loc mai repede.

• Zvântarea (suflarea) grăbește evaporarea, prin înlăturarea vaporilor de deasupra lichidului.

• Temperatura cu cât este mai mare, cu atât evaporarea are loc mai repede.

Viteza de evaporare a unui lichid este dată de formula:

k = constantă de proporționalitate care depinde în principal de natura lichidului

S = aria suprafeței libere a lichidului

p_s = presiunea vaporilor saturați ai lichidului la temperatura de evaporare

p_v = presiunea vaporilor lichidului în apropierea suprafeței libere a lichidului

👀 Experiment:Anestezia locală.

Materiale necesare:
Un termometru, vată sau pansament, alcool.

Descrierea experimentului:

• Citește temperatura aerului din cameră cu ajutorul termometrului.
• Înfăşoară cu vată (sau pansament) rezervorul termometrului şi picură alcool pe acesta.
• Urmărește indicaţiile termometrului până când vata cu alcool se usucă şi citește temperatura indicată de termometru .

  Temperatura termometrului a scăzut.

Concluzia experimentului:
Când un lichid se evaporă el absoarbe căldură din mediul înconjurător (termometru).

Faptul că evaporarea necesită consum de căldură, adică evaporarea este însoţită de o scădere de temperatură, îşi găseşte o serie de aplicaţii practice:

• stropitul străzilor vara, pentru a se produce o atmosferă mai răcoroasă;

• anestezia locală foloseşte, de asemenea, răcirea prin evaporare – prin răcire nervii locali amorţesc, nu mai transmit senzațiile dureroase la creier şi bolnavul nu mai simte durerea.

• în agricultură, un mijloc pentru reducerea evaporării apei din sol este aratul.

Aplicații în viața cotidiană:

1. De ce ne răcorește ventilatorul?
Elicea ventilatorului îndepărtează vaporii de apă din jurul corpului nostru, crescând astfel viteza de evaporare a transpirației noastre, care absorbe căldură la evaporare și ne dă senzația de răcorire.

2. De ce când ieșim din apă, avem senzație de frig?
Când ieșim din apă are loc evaporarea apei care absoarbe căldură de pe corpul nostru și determină scăderea temperaturii corpului.

3. Principiul anesteziei locale:
Pe o zonă a corpului se aplică un lichid volatil (ex lidocaină). La evaporare absoarbe căldură, zona se răcește și nervii locali nu mai transmit durerea la creier.

4. Când suportăm mai bine canicula verii, când aerul este uscat sau umed?
Omul suportă mai ușor canicula când aerul este uscat (nu este saturat cu vapori de apă) întrucât transpirația de pe noi se poate evapora mai ușor , absoarbe căldură la evaporare și ne răcorește.

👀 Experiment:Cum fierbe apa ?
🔥 Atenție! când lucrezi cu surse de foc!

Materiale necesare:
Un termometru, vată sau pansament, alcool.

Descrierea experimentului:

• Pune paharul cu apă pe sită și trepied.
• Măsoară temperatura inițială a apei.
• Aprinde spirtiera și pornește cronometrul la începerea încălzirii apei.
• Măsoară timpul la fiecare creștere a temperaturii apei cu 10°C și trece datele în următorul tabel:

Apa începe să fiarbă la 100°C. Pe parcursul fierberii, temperatura apei rămâne la 100°C, chiar dacă continuăm încălzirea.

• Reprezintă graficul dependenței temperaturii în funcție de timp.
• Fenomenele corespunzătoare fiecărui segment sunt:

AB, BC, CD reprezintă evaporarea apei

DE reprezintă fierberea apei

Legile fierberii:

I. Fiecare lichid începe să fiarbă la o anumită temperatură numită temperatură de fierbere, T_f care este o constantă de material (tabel).

🔦 Observație

Temperaturile de fierbere din tabelul cu constantele de material sunt pentru presiuni normale.

La creșterea presiunii, temperatura de fierbere crește. Astfel dacă fierbem apa în vase ermetic închise, ea nu va mai fierbe la 100°C, ci la 120-140°C. Pe această proprietate se bazează fierberea rapidă a legumelor tari în oalele sub presiune (oale minune) și sterilizarea instrumentelor medicale în autoclave.

Legile fierberii:

II. Pe parcursul fierberii unui lichid (de la primul clocot până la vaporizarea completă) temperatura de fierbere este constantă, la aceeași presiune.

👀 Experiment:Fierberea apei sub presiune
🔥 Atenție! când lucrezi cu surse de foc!
🔥 Atenție, fierberea apei la presiuni mari este periculoasă !

Materiale necesare:
Pahar Erlenmeyer cu apă distilată, spirtieră, trepied, sită de azbest, dop cu termometru și tub, dop pentru tub.

Descrierea experimentului:

• Pune paharul cu apă pe sită și trepied și încălzește-l la spirtieră.
• Pune dopul la gura tubului gâtuind ieșirea vaporilor din vas pentru a mări presiunea la suprafața apei.
• Observă la ce temperatură fierbe apa.

  Apa fierbe la o temperatură mai mare decât temperatura ei de fierbere (103°C).

Concluzia experimentului:
La creșterea presiunii crește și temperatura de fierbere a apei.

👀 Experiment:Poate apa să fiarbă la 60°C ?

Materiale necesare:
Apă caldă la 60°C, seringă cu tub, termometru.

Descrierea experimentului:

• Trage apa caldă (la 60°C) în seringă.
• Întoarce seringa cu tubul în sus și elimină aerul din seringă și tub.
• Închide tubul prin îndoirea lui.
• Trage pistonul seringii în jos pentru a micșora presiunea deasupra apei.
• Observă ce se întâmplă cu apa din seringă.

  Apa fierbe la 60°C.

Concluzia experimentului:
La scăderea presiunii scade și temperatura de fierbere a apei.
Pe vârful Everest (8848 m) apa fierbe la 69 °C.
În vid (presiune atmosferică zero) apa poate fierbe la 0°C.

👀 Experiment:Condensarea apei

Materiale necesare:
Pahar, congelator.

Descrierea experimentului:

• Ia un pahar curat și uscat și pune-l la congelator, timp de 10 - 15 minute.
• Scoate paharul din congelator.
• Ce observi pe pereții săi după câteva minute?

  Pe pereții paharului sunt picături de apă.

Concluzia experimentului:
Apa apărută de nicăieri s-a format prin condensarea vaporilor de apă din cameră, care venind în contact cu pereții reci ai paharului, se răcesc și se transformă în picături mici de apă.

I.7.2.3. Lichefierea gazelor.

Lichefierea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare gazoasă în stare lichidă prin comprimare izotermă (creșterea presiunii gazului la temperatură constantă).

În 1869, Thomas Andrews a lichefiat dioxidul de carbon la temperaturi obișnuite.

Temperatura maximă la care gazul se poate lichefia prin comprimare izotermă se numește temperatură critică (T_c) la o anumită presiune critică (p_c).

Pentru a lichefia un gaz el trebuie adus la o temperatură mai mică decât temperatura critică (T < T_c) și la o presiune superioară celei critice (p > p_c).

Tabel cu temperaturi și presiuni critice pentru lichefierea gazelor

🔦 Observație

Pentru substanțele care la temperatură obișnuită sunt în starea lichidă când trec din starea de vapori în stare lichidă spunem că are loc fenomenul de condensare.

Pentru substanțele care la temperatură obișnuită sunt în starea gazoasă, când trec în stare lichidă spunem că are loc fenomenul de lichefiere.

Aplicațiile lichefierii

• Gazele lichefiate, păstrate și transportate în butelii de oțel, sunt folosite în industrie și în laboratoare (oxigen, hidrogen, dioxid de carbon, heliu etc.).

• Gazele lichefiate sunt folosite ca surse de temperaturi joase.

I.7.2.4. Sublimarea și desublimarea.

Sublimarea este fenomenul de transformare a unei substanțe din stare solidă direct în stare gazoasă, prin încălzire.

Desublimarea este fenomenul invers al sublimării, de transformare a unei substanțe din stare gazoasă (de vapori) direct în stare solidă, prin răcire.

🔦 Observație

Substanțe ca naftalina, camforul, acidul benzoic, iodul, gheaţa și altele au proprietatea de a trece din stare solidă direct în stare de vapori. Și tungstenul din filamentul becului sublimează lent ducând la subțierea filamentului și în final la arderea lui.

👀 Experiment:Sublimarea naftalinei
🔥 Atenție când lucrezi cu surse de foc!
🔥 Atenție să nu te arzi cu apa fiartă !
🔥 Atenție, naftalina este inflamabilă și trebuie încălzită pe baie de apă fiartă!
🔥 Atenție, naftalina este toxică, deci nu o atinge, nu o gusta și nu inspira vaporii săi!

Materiale necesare:
Naftalină (de la magazinul de chimicale), apă fiartă, un borcan de 800g, pahar Erlenmeyer cu dop prevăzut cu un tub și termometru, vas cu apă fiartă.

Descrierea experimentului:

• Pune naftalina în pahar într-un strat de un deget și închide-o cu dopul.
• Pune apa într-o cratiță astfel încât nivelul ei să depășească cu puțin naftalina din pahar (strat de două degete) și fierbe apa.
• Introdu sticla cu naftalină în baia de apă fiartă și urmărește pereții paharului.

  În scurt timp apar cristale de naftalină sub formă de ace pe pereții sticlei.

Concluzia experimentului:
Naftalina prin încălzire a sublimat și s-a transformat în vapori de naftalină. Vaporii de naftalină dând de pereții mai reci ai sticlei au desublimat și s-au transformat în stare solidă, sub formă de cristale aciculare.

I.7.2.5. Călduri latente.

Trecerea substanței dintr-o stare de agregare în alta se face cu absorbție sau cedare de căldură.

Căldura absorbită sau cedată de o substanță pe parcursul unui fenomen cu schimbarea stării de agregare, care determină numai variația energiei potențiale a moleculelor se numește căldură latentă.

Ca să înțelegem noțiunea de căldură latentă trebuie să vedem ce se întâmplă în interiorul substanței care se transformă dintr-o stare de agregare în alta. Am ales topirea.

Explicația topirii unei substanțe:

În stare solidă particulele au energie potențială minimă și distanțe intermoleculare foarte mici.

Topirea se produce la temperatură constantă și prin urmare, energia cinetică este constantă (energia cinetică –de mișcare a particulelor– este funcție de temperatură).

Atunci ce face solidul cu căldura absorbită dacă temperatura lui nu se modifică ?

Ei bine căldura absorbită duce numai la creșterea energiei potențiale a moleculelor, care va conduce la creșterea distanțelor intermoleculare și trecerea solidului în lichid.

Q_latentă = m·ʌ

Q_latentă = căldura latentă, adică căldura absorbită (cedată) de o substanță pe parcursul schimbării stării de agregare (în joule = J)

m = masa substanței (în kg)

ʌ = căldura latentă specifică (constantă de material și o luăm din tabel).

Se măsoară în J / kg.

Se notează cu litera grecească lambda (ʌ) .

🔦 Observații

a) Căldurile latente specifice sunt de două feluri:

• de topire = ʌ_t și
• de vaporizare (fierbere) = ʌ_v

b) Pentru aceeași substanță:

ʌ_t = ʌ_s și ʌ_v = ʌ_c dar, ʌ_t ≠ ʌ_v .

De exemplu pentru apă:

• avem căldura latentă specifică de topire: ʌ_t = 334.000 J/kg
• avem căldura latentă specifică de vaporizare: ʌ_v = 2.260.000 J/kg

🔓 Probleme rezolvate

1. Ce căldură absoarbe 100g de gheață de la temperatura de (-20)°C până la vaporizarea completă?

Se dă: c_g = 2090J/kgK, c_a = 4200J/kgK, ʌ_t = 334.000J/kg , ʌ_v = 2.260.000J/kg, t_t = 0°C și t_f = 100°C.

Rezolvare

Scriem datele problemei:
m = 100g = 0,1kg
t₁ = -20°C
t_t = 0°C
t_f = 100°C
c_g = 2090 J/kgK
c_a = 4185J/kgK
ʌ_t = 334.000 J/kg
ʌ_v = 2.260.000 J/kg

Scriem fenomenele suferite de gheață și aplicăm formulele corespunzătoare pentru căldura absorbită, în fiecare caz :

a)Încălzirea gheții de la (-20)°C până la 0°C:

Q₁ = m ∙ c_g ∙ Δt₁ = 0,1kg ∙ 2090J/kgK ∙ [0-(-20)] K = 0,1 ∙ 2090 ∙ 20 = 4180 J

b) Topirea gheții la t = ct. = 0°C: fiind fenomen cu schimbare de stare de agregare aplicăm formula căldurii latente:

Q₂ = Q_{latentă topire} = m · ʌ_t = 0,1kg ∙ 334.000 J/kg = 33.400 J

c) Încălzirea apei de la 0°C până la 100°C:

Q₃ = m ∙ c_a ∙ Δt₂ = 0,1kg ∙ 4185J/kgK ∙ (100-0) K = 0,1 ∙ 4185 ∙ 100 = 41.850 J

d) Fierberea(vaporizarea) apei la t = ct. = 100°C : fiind fenomen cu schimbare de stare de agregare aplicăm formula căldurii latente:

Q₄ = Q_{latentă vaporizare} = m · ʌ_v = 0,1kg ∙ 2.260.000 J/kg = 226.000 J

Adunăm toate căldurile absorbite de gheață până la vaporizarea completă:

Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ = 4180 J + 33.400 J + 41.850J + 226.000 J = 305.430 J

2. Ce căldură degajă 500g de aluminiu de la temperatura de 800 °C până la temperatura de 500 °C ?

Se dau: c_Al = 880 J/kgK, ʌ_t = 400.000J/kg , t_t = 660°C

Rezolvare

Scriem datele problemei:
m = 500g = 0,5kg
t₁ = 800°C
t_t = t_s = 660°C
c_Al = 880J/kgK
ʌ_t = 400.000 J/kg
t₂ = 500°C

Scriem fenomenele suferite de aluminiu și aplicăm formulele corespunzătoare pentru căldura cedată, în fiecare caz:

a) Răcirea aluminiului lichid de la 800°C până la 660°C:

Q₁ = m ∙ c_Al ∙ ΔT = 0,5kg ∙ 880 J/kgK ∙ (660-800) K = 0,5 ∙ 880 ∙ (-140) = -61.600 J

b) Solidificarea aluminiului lichid la t_s = t_t = constantă = 660°C : fiind fenomen cu schimbare de stare de agregare aplicăm formula căldurii latente:

Q₂ = Q_{latentă topire} = - m · ʌ_t = - 0,5kg ∙ 400.000 J/kg = - 200.000 J

c) Răcirea aluminiului solid de la 660°C până la 500°C :

Q₃ = m ∙ c_Al ∙ ΔT = 0,5kg ∙ 880J/kgK ∙ (500-660) = 0,5 ∙ 880 ∙ (-160) = - 70.400 J

Adunăm toate căldurile cedate de aluminiu

Q_cedată = Q₁ + Q₂ + Q₃ = - 61.600J - 200.000 J - 70.400 J = - 332.000 J

3. Determinarea temperaturii de echilibru.