I.15. Sinteză recapitulativă - Fenomene termice Partea a II-a

📚 Sinteză recapitulativă

Stările de agregare ale corpurilor (substanțelor) sunt:

Starea solidă
Starea lichidă
Starea gazoasă

Corpurile solide au formă proprie (bine determinată) și volum propriu. Nu curg.

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.

Lichidele au volum propriu (bine determinat), dar nu au formă proprie (iau forma vasului în care sunt puse). Curg (sunt fluide).

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.

Gazele nu au nici formă proprie (iau forma vasului în care sunt puse) și nici volum propriu (ocupă tot volumul pus la dispoziție). Curg (sunt fluide).

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.

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.

Topirea este fenomenul de trecere a 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.

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 a topirii / solidificării

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.
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 a solidificării) volumul substanței se modifica astfel: majoritatea substanțelor își măresc volumul la topire și își micșorează volumul la solidificare. Excepții avem la apa, fonta și bismutul, care își măresc volumul la solidificare (aceasta este anomalia apei).

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

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.

Aplicațiile evaporării în viaţa 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 absoarbe 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 (de exemplu lidocaină). La evaporare lichidul volatil 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.

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.

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

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.

Privește cu atenție graficul dependenței temperaturii apei în funcție de timp. Ce fenomene corespund fiecărei porțiuni ale graficului.

Fenomenele corespunzătoare fiecărui segment sunt :
- AB, BC, CD reprezintă evaporarea apei, deoarece apa are o temperatură inferioară temperaturii ei de fierbere (100 °C).
- DE reprezintă fierberea apei, deoarece apa a ajuns la temperatura ei de fierbere (100 °C) și pe parcursul fierberii temperatura ei este constantă.

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 = căldura latentă, însemnând 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 = 334000 J/kg
avem căldura latentă specifică de vaporizare : ʌ_v = 2260000 J/kg

Combustibili

Combustibilii sunt substanțe care degajă căldură, prin arderea lor.

Clasificarea combustibililor:

Căldura degajată de un combustibil prin ardere depinde de masa combustibilului (m) și de puterea calorică a combustibilului (q) și are următoarea formulă:

m = masa (cantitatea) de combustibil ars (kg)

q = puterea calorică a combustibilului (J/kg).