Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu www.szkolnictwo.pl Wszelkie treści i zasoby edukacyjne publikowane na łamach Portalu www.szkolnictwo.pl mogą być wykorzystywane przez jego Użytkowników wyłącznie w zakresie własnego użytku osobistego oraz do użytku w szkołach podczas zajęć dydaktycznych. Kopiowanie, wprowadzanie zmian, przesyłanie, publiczne odtwarzanie i wszelkie wykorzystywanie tych treści do celów komercyjnych jest niedozwolone. Plik można dowolnie modernizować na potrzeby własne oraz do wykorzystania w szkołach podczas zajęć dydaktycznych.

Zmiany stanów skupienia ciał

Spis treści Stany skupienia materii Różnice w budowie cząsteczkowej ciał stałych, cieczy i gazów Jak zachowują się atomy i cząsteczki w ciałach Energia wewnętrzna ciał Zmiany stanów skupienia Proces topnienia ciał o budowie krystalicznej Proces krzepnięcia ciał o budowie krystalicznej Parowanie wrzenie i skraplanie Resublimacja

STANY SKUPIENIA MATERII Materia występuje w trzech dających się łatwo rozróżnić stanach skupienia, tj. stałym ciekłym gazowym (lotnym) Istnieje również czwarty stan skupienia, stan plazmy, który występuje jedynie w zakresie niezwykle wysokich temperatur. Ciało stałe charakteryzuje się utrzymaniem kształtu i objętości, niezależnie od kształtu naczynia w którym się znajduje. Ciecz odznacza sie tym, że zachowuje swoją określoną objętość podczas przelewania z jednego zbiornika do drugiego, ale przyjmuje kształt naczynia w którym się znajduje Gaz nie ma ani własnego kształtu, ani objętości i może rozprzestrzeniać się po całej objętości naczynia, w którym się znajduje.

RÓŻNICE W BUDOWIE CZĄSTECZKOWEJ CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW są ściśliwe odległości między cząsteczkami gazów są duże nie mają określonego kształtu przy dużych odległościach cząsteczki słabiej się przyciągają wypełniają całe naczynie cząsteczki, poruszają się bardzo szybko, chaotycznie we wszystkich kierunkach CIECZ są nieściśliwe odległości między cząsteczkami są dużo mniejsze niż w gazach zachowuje swoją określoną objętość, przyjmuje kształt naczynia w którym się znajduje działają dużo większe siły międzycząsteczkowe, ale nie na tyle duże, by ciecze zachowywały własny kształt. poruszają się na tyle szybko, że siły przyciągające nie są w stanie nadać formy bryły sztywnej. CIAŁO STAŁE ciała stałe zachowują swój kształt, stawiają opór, gdy chce się je odkształcić Cząsteczki są bardzo blisko siebie i utrzymują się na stałych pozycjach względem siebie Zachowują swoją objętość Bliska odległość, silne oddziaływanie międzycząsteczkowe

Podział ciał stałych ze względu na budowę wewnętrzną Pamiętaj: Siły międzycząsteczkowe to oddziaływania między cząsteczkami ciał stałych, gazów i cieczy. Podział ciał stałych ze względu na budowę wewnętrzną CIAŁA KRYSTALICZNE Składają się z atomów , cząsteczek lub jonów tworzących uporządkowane struktury (kryształy). CIAŁA BEZPOSTACIWE budową wewnętrzną przypominają ciecze (ciała bezpostaciowe) i cząsteczki takich ciał nie tworzą uporządkowanych struktur (np. szkło).

JAK ZACHOWUJĄ SIĘ ATOMY I CZĄSTECZKI W CIAŁACH Cząsteczki są w ciągłym chaotycznym ruchu: Drgają wokół swoich położeń równowagi Poruszają się od zderzenia do zderzenia Na skutek wzajemnych zderzeń różne cząsteczki mają różne prędkości. Sumując wartości prędkości cząsteczek w pewnej chwili i dzieląc tą sumę przez liczbę cząsteczek otrzymujemy średnią szybkość ich ruchu Cząsteczki będące w ruchu posiadają energię kinetyczną Ek. Jeśli temperatura ciała jest wyższa, to średnia szybkość ruchu cząsteczek jest większa, więc wzrasta ich średnia energia kinetyczna.

Siły międzycząsteczkowe Każda cząsteczka przyciąga inne cząsteczki i sama jest przez nie przyciągana. Gdy natomiast działając z zewnątrz chcemy zbytnio zbliżyć do siebie cząsteczki, wtedy pojawiają się siły wzajemnego odpychania ( brak ściśliwości ciał stałych, cieczy). Siły międzycząsteczkowe są siłami wzajemnego przyciągania lub odpychania. W związku z istnieniem sił międzycząsteczkowych cząsteczki posiadają energię potencjalną Ep. Jej wartości zależy od wielkości tych sił, co jest związane z rodzajem cząsteczek oraz odległościami miedzy nimi.

ENERGIA WEWNĘTRZNA CIAŁ Czy energia kinetyczna i potencjalna to jedyne składniki energii cząsteczek? Istnieją jeszcze inne składniki energii: energia ruchu oscylacyjnego atomów w cząsteczce, energia rotacji cząsteczek, energia związana z ruchem i wzajemnym oddziaływaniem cząstek elementarnych w atomach. Pomijając te składniki możemy powiedzieć, że: Energia wewnętrzna jest sumą energii kinetycznej cząstek ciała i energii ich wzajemnego oddziaływania ( energii potencjalnej). Wymiana energii wewnętrznej (ciepła) pomiędzy ciałem i otoczeniem może wywołać zmianę wewnętrznej struktury substancji i doprowadzić do przejścia do innego stanu skupienia. Taką zmianę nazywamy przejściem fazowym ( zmianą stanu skupienia). Ilość energii wewnętrznej, którą ciało traci lub zyskuje w procesie cieplnym nazywamy ilością ciepła

ZMIANY STANÓW SKUPIENIA Przemiana fazowa – przejście substancji z jednej fazy (stanu skupienia) do drugiej. Topnienie przejście ze stanu stałego w stan ciekły Parowanie przejście ze stanu ciekłego w lotny wrzenie Sublimacja przejście ze stanu stałego w lotny z pominięciem fazy ciekłej Procesy odwrotne to: Krzepnięcie przejście ze stanu ciekłego w stały Skraplanie przejście ze stanu lotnego w ciekły Resublimacja przejście ze stanu lotnego w stan stały z pominięciem fazy ciekłej

PROCES TOPNIENIA CIAŁ O BUDOWIE KRYSTALICZNEJ Przeanalizujmy proces topnienia na przykładzie wody. Ogrzewamy lód o temperaturze -10 oC Podczas ogrzewania temperatura lodu wzrasta do temperatury 0 oC ( lód) Mimo dalszego ogrzewania termometr wskazuje 0 0C Obserwujemy, ze od momentu pojawienia się pierwszych kropli wody w stanie ciekłym, do chwili całkowitego stopienia się lodu, mimo ogrzewania temperatura nie ulega zmianie ( lód + woda) 4. Temperatura ogrzewanej wody wzrasta (woda - ciecz) Wniosek: Ciała stałe o budowie krystalicznej topnieją w stałej temperaturze. Temperaturę tą nazywamy temperaturą topnienia Tt Temperatura topnienia jest to temperatura w której substancja przechodzi ze stanu stałego w ciekły.

Przykładowe temperatury topnienia: żelazo rtęć sól kuchenna woda 1539 o C -38,87 o C 801 o C 0 o C W czasie ogrzewania ciała wzrasta jego temperatura, ponieważ wzrasta energia ruchu cząsteczek. W czasie topnienia temperatura ciała jest stała, ponieważ dostarczona ciału energia zostaje zużyta na wykonanie pracy związanej ze zmianą stanu skupienia. Cząsteczki zmieniają wzajemne położenie i zyskują dodatkową energię potencjalną. W przypadku ogrzewania ciał bezpostaciowych (szkło, niektóre polimery) następuje ich rozmiękanie, które zwane jest niekiedy topnieniem. Ciała bezpostaciowe nie maja stałej temperatury topnienia

PROCES KRZEPNIĘCIA CIAŁ O BUDOWIE KRYSTALICZNEJ Proces krzepnięcia jest zjawiskiem odwrotnym do procesu topnienia. Krzepnięcie wody: Oziębiamy wodę do temperatury 0 oC Mimo ochładzania w trakcie przechodzenia wody w lód jej temperatura nie ulega zmianie Po przejściu całej cieczy w stan stały temperatura lodu spada. Temperatura w której ciało stałe przechodzi w ciecz nazywamy temperaturą krzepnięcia Tk. Dla danej substancji temperatura krzepnięcia = temperaturze topnienia Krzepnięcie polega na odbudowaniu struktury sieci krystalicznej na skutek spadku energii ruchu drobin.

PAROWANIE WRZENIE I SKRAPLANIE Parowanie jest zmianą stanu skupienia polegającą na przejściu ze stanu ciekłego do stanu lotnego. Cechy parowania: Zachodzi w dowolnej temperaturze. Zachodzi na powierzchni cieczy Przebiega spokojnie Czynniki wpływające na szybkość parowania: 1.Temperatura otoczenia 2. Powierzchnia parowania 3.Rodzaj cieczy , która ma parować 4.Ciśnienie otoczenia Istnieje zawsze w cieczy pewna ilość cząsteczek o energii tak dużej, że są zdolne pokonać siły spójności cieczy (napięcia powierzchniowego). Jeżeli taka cząsteczka znajdzie się przy powierzchni, a jej kierunek ruchu będzie skierowany na zewnątrz, może dojść do procesu oderwania się jej od cieczy i przejścia w stan gazowy.

Skraplanie to przejście ze stanu lotnego w ciekły Kondensacja wiąże się ze zmniejszeniem odległości między cząsteczkami substancji. Spadek temperatury powoduje, że cząsteczki poruszają się wolniej. Siły oddziaływania między nimi wzrastają, aż do momentu uzyskania nowego stanu równowagi. Wrzenie jest szczególnym przypadkiem parowania Wrzenie jest to parowanie całą objętością cieczy Cechy wrzenia: Zachodzi w całej objętości cieczy Zachodzi w stałej temperaturze, charakterystycznej dla rodzaju cieczy ( np. dla wody w 100oC). Temperaturę, w której zachodzi wrzenie nazywamy temperaturą wrzenia Tw . Proces ten przebiega gwałtownie.

Temperatura wrzenia zależy od: Rodzaju cieczy Od ciśnienia panującego nad powierzchnią cieczy Wzrost ciśnienia zewnętrznego powoduje wzrost temperatury wrzenia, zaś obniżenie ciśnienia powoduje jej spadek. W górach woda wrze w temperaturze niższej od 100oC. W kotłach parowych temperatura wrzenia wody jest wyższa od 100 oC Resublimacja – bezpośrednie przechodzenie substancji ze stanu lotnego w fazę stałą (przejście fazowe). Resublimacja jest procesem odwrotnym do sublimacji. Resublimacja zachodzi wtedy, gdy cząsteczki gazu oziębią się na tyle mocno, że utworzą sieć krystaliczną. W wyniku resublimacji wody (pary wodnej) powstaje śnieg i szron. Przy temperaturach zbliżonych do 0 ˚C i niższych, oraz jednoczesnym omywaniu powierzchni wilgotnym powietrzem, mamy do czynienia ze zjawiskiem tworzenia się na ich powierzchni szronu. Substancje, które sublimują „chętnie” to np.. jod, suchy lód (stały dwutlenek węgla) lub naftalen (naftalina - kulki przeciw molom).

Wykres zależności zmian temperatury od czasu dostarczania ciepła dla wody w warunkach normalnego ciśnienia

Bibliografia: „ Nauczanie fizyki” H. Bonecki „ Fizyka 2” Rozenbajgier http://pl.wikipedia.org/wiki/ http://www.kk.jgora.pl/ www.olimpus.edu.pl