DANE INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Gimnazjum nr 2 im. Marii Skłodowskiej - Curie w Gostyniu Gimnazjum w Pomorsku ID grupy: 98/55_MF_G2 98/41_MF_G2 Kompetencja: Matematyczno-Fizyczna Temat projektowy: Zbadajmy zmiany stanów skupienia Semestr/rok szkolny: Semestr II 2010/2011

STANY SKUPIENIA Większość substancji istnieje w przyrodzie w trzech stanach skupienia, każdy stan skupienia posiada inne własności: Gaz: Substancja zajmująca całą możliwą przestrzeń dzięki zjawisku dyfuzji. Gazy mają małą gęstość, są ściśliwe, wywierają jednakowe ciśnienie w każdym kierunku, często są niewidoczne.

STANY SKUPIENIA Ciecz: Substancja łatwo zmieniająca swój kształt i zwykle wymagająca pojemnika do ograniczenia jej w poziomie. Grawitacja wymusza jej poziome ułożenie. Gęstość cieczy jest około1000 razy większa niż gazów.

STANY SKUPIENIA Ciało stałe: Substancja utrzymująca trwały kształt, chyba że jest ściskana lub rozciągana przez działanie sił zewnętrznych. Gęstość większości ciał stałych jest większa niż gęstość cieczy

CECHY MATERII       Podstawową cechą materii jest jej zmienność - substancje mogą zmieniać swój stan skupienia. Procesy przemiany z jednego stanu skupienia w drugi są odwracalne. Ilustruje to schemat:

TOPNIENIE I KRZEPNIĘCIE Jest to zjawisko przejścia ciała stałego w ciecz pod wpływem temperatury. Zachodzi w ściśle określonej temperaturze zwanej temperaturą topnienia. Jest ona charakterystyczna dla danego rodzaju substancji. Jest to zjawisko przejścia cieczy w ciało stałe pod wpływem obniżania temperatury. Zachodzi w ściśle określonej temperaturze zwanej temperaturą krzepnięcia, charakterystyczna dla danego rodzaju substancji. Dla danej substancji temperatura topnienia jest równa temperaturze krzepnięcia.

PAROWANIE I SKRAPLANIE Jest to zjawisko fizyczne polegające na przejściu substancji ze stanu ciekłego w stan gazowy, zachodzące na powierzchni cieczy. To zjawisko fizyczne polegające na przejściu substancji ze stanu lotnego w stan ciekły.

PAROWANIE A WRZENIE Parowanie zachodzi na powierzchni cieczy Jest to proces o łagodnym przebiegu Zachodzi w dowolnej temperaturze Wrzenie zachodzi w całej objętości cieczy Jest to proces gwałtowny Zachodzi tylko w ściśle określonej temperaturze zwanej temperaturą wrzenia, charakterystyczną dla danego rodzaju cieczy

SUBLIMACJA I RESUBLIMACJA Jest to zjawisko fizyczne polegające na przejściu substancji ze stanu stałego w stan gazowy (lotny) z pominięciem stanu gazowego. Przykładem tego zjawiska może być zanikanie pokrywy śnieżnej podczas mrozu, czy wysychanie mokrego prania na mrozie. Jest to zjawisko fizyczne polegające na przejściu substancji ze stanu gazowego w stan stały z pominięciem stanu gazowego. Przykładem resublimacji jest powstawanie szronu (przy gwałtownym spadku temperatury nadmiar pary wodnej zawartej w powietrzu zamienia się w drobne kryształki lodu – szron.

WPŁYW TEMPERATURY NA ZMIANE STANU Naturalny ruch cząsteczek jest związany z temperaturą substancji. W gazach i cieczach wyższa temperatura odpowiada wyższej średniej prędkości cząsteczek, a w ciałach stałych większej częstotliwości i amplitudzie drgań. Temperatura substancji jest ściśle związana z energią kinetyczną ruchu cząsteczek. Energia cieplna pobierana przez ciało stałe powoduje wzrost średniej energii kinetycznej drgań cząsteczek.

W ujęciu makroskopowym, ciepło dostarczane do ciała (ΔH) jest związane ze wzrostem jego temperatury (ΔT): ΔH = m C ΔT - gdzie ‘m’ jest masą ciała, a ‘C’ ciepłem właściwym substancji. Kiedy ciało oddaje lub pobiera ciepło z otoczenia , szybkość przepływu ciepła (ΔH/Δt) jest proporcjonalna do różnicy temperatur między ciałem a otoczeniem: ΔH / Δt = - K * (T – Ts) - gdzie ‘T’ i ‘Ts’ są odpowiednio temperaturami ciała i otoczenia, a ‘K’ współczynnikiem proporcjonalności.

Podczas ogrzewania substancji, po osiągnięciu temperatury topnienia, część dostarczanej energii jest wykorzystana na przerwanie wiązań między cząsteczkami. Zanika kształt substancji i następuje przejście w stan ciekły. Ta dodatkowa energia, która jest potrzebna na przerwanie wiązań, nazywana jest ciepłem przemiany fazowej. W czasie topnienia ciał krystalicznych temperatura pozostaje stała. Dopiero, gdy cała substancja zmieni się w ciecz, dalsze dostarczanie ciepła powoduje wzrost temperatury. W czasie stygnięcia cieczy występuje proces odwrotny.

W czasie krzepnięcia ciał krystalicznych temperatura pozostaje stała. Krzepnięcie substancji powoduje wydzielanie ciepła do otoczenia. Ilość ciepła oddawanego do otoczenia zależy od masy (Δm) krzepnącej substancji: ΔH = L Δm - gdzie ‘L’ (zwane ciepłem topnienia) jest ilością ciepła wydzielanego podczas krzepnięcia 1 kg substancji. W czasie krzepnięcia ciał krystalicznych temperatura pozostaje stała.

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI BIMETALU Użyty w naszym doświadczeniu bimetal składa się z dwóch stopów: żelaza i niklu oraz żelaza i niklu z domieszką manganu. Stopy zostały tak dobrane, aby ich współczynniki rozszerzalności liniowej znacznie się między sobą różniły. Obserwujemy bimetal w temperaturze otoczenia. Ogrzewamy bimetal palnikiem gazowym, (zapałką, zapalniczką).

Badanie właściwości bimetalu

Badanie właściwości bimetalu Obserwacje: Bimetal ogrzany ulega wygięciu. Po przerwaniu ogrzewania i doprowadzeniu bimetalu do temperatury pierwotnej, bimetal odzyskuje pierwotny kształt. Wnioski: Każdy ze stopów inaczej reaguje na podwyższenie temperatury. Zastosowania bimetali: w kierunkowskazach samochodowych, inne zastosowanie znaleźć w Internecie.

Rozchodzenie się ciepła Do pręta stalowego przyklejamy w równych odstępach za pomocą plasteliny lub parafiny lekkie kuleczki (szpilki, spinacze, itp.),. Jeden z końców pręta ogrzewamy wsuwając go w płomień palnika. Drugi koniec pręta trzymamy w ręku.

Rozchodzenie się ciepła

Rozchodzenie się ciepła Obserwacje: Po pewnym czasie kulka najbliższa źródła ciepła odpada, gdyż plastelina (parafina)ulega stopieniu. Następnie odpada druga kulka, trzecia itd. W pewnej chwili koniec pręta znajdujący się w ręku obserwatora zaczyna być ciepły, jego temperatura stopniowo wzrasta, aż wreszcie staje się tak gorący, że trzymanie go w ręku jest niemożliwe.

Rozchodzenie się ciepła Wnioski: Pręt stalowy przewodzi ciepło - jest dobrym przewodnikiem ciepła. To samo doświadczenie wykonane np. z prętem szklanym nie udaje się. Kulki przylepione do tego pręta za pomocą plasteliny utrzymują się i nie odpadają, mimo że pręt w jednym końcu jest bez przerwy ogrzewany. Szkło znacznie gorzej przewodzi ciepło, niż pręt stalowy. Występujące w przyrodzie ciała stale można podzielić na dobre i złe przewodniki ciepła.

Powietrze(gaz)jest złym przewodnikiem ciepła W probówce lub kolbce umieszczamy na dnie kawałeczek lodu. Górną część probówki stykamy teraz ze źródłem ciepła i ogrzewamy zawarte w niej powietrze, trzymając dolną jej część w ręku. Obserwacje: Mimo dość długiego czasu ogrzewania, nie odczuwamy nagrzewania się dolnej części probówki, ani nie obserwujemy topnienia lodu. Wnioski: Powietrze nie przewodzi ciepła. Powietrze i inne gazy są złymi przewodnikami ciepła.

Ciało (metal) rozszerza się, gdy rośnie jego temperatura Przyrząd (pierścień Gravesanda) składa się z metalowego pierścienia, do którego dopasowana jest metalowa kulka o takiej średnicy, że przechodzi ona swobodnie przez pierścień.

Ciało (metal) rozszerza się, gdy rośnie jego temperatura Podgrzewamy kulkę w płomieniu palnika spirytusowego lub gazowego.

Ciało (metal) rozszerza się, gdy rośnie jego temperatura Obserwacje: Rozgrzana kulka nie przechodzi przez pierścień. Kulka ochłodzona do pierwotnej temperatury(np. przez zanurzenie w wodzie), ponownie swobodnie przechodzi przez pierścień. Wnioski: Ciała stałe pod wpływem ogrzewania zwiększają swoją objętość.

Woda jako zły przewodnik ciepła Probówkę lub kolbkę napełniamy wodą i wprowadzamy kawałeczek lodu. Lód ten powinien ,,zatonąć” w wodzie i zatrzymać się na dnie probówki. W tym celu należy go obciążyć np. żelaznym gwoździkiem lub odpowiednio dobranym drutem ołowianym. Górną część probówki ogrzewamy, dolną jej część możemy trzymać w ręku.

Woda jako zły przewodnik ciepła Obserwacje: U góry probówki woda zaczyna wrzeć, na dole probówki woda jest chłodna. Wnioski: Ciepło nie przejdzie z góry na dół za pośrednictwem wody jako przewodnika. Woda jest złym przewodnikiem ciepła. To samo można powiedzieć o innych cieczach.

STAŁOŚĆ TEMPERATURY TOPNIENIA LODU Do zlewki wkładamy trochę potłuczonego lodu o temperaturze -5-10°C. Do zgromadzonego w zlewce lodu wkładamy termometr tak, aby zbiorniczek z rtęcią był całkowicie zanurzony w lodzie. Odczytujemy jego temperaturę co minutę.

STAŁOŚĆ TEMPERATURY TOPNIENIA LODU Obserwacje: Temperatura lodu powoli wzrasta. Gdy temperatura lodu osiągnie 0°C przestaje się podnosić, mimo dalszego dopływu ciepła. Lód zaczyna się topić.

STAŁOŚĆ TEMPERATURY TOPNIENIA LODU

STAŁOŚĆ TEMPERATURY TOPNIENIA LODU Wnioski: Temperatura topniejącego lodu pozostaje niezmienna i wynosi 0°C; tę samą temperaturę ma powstająca z niego woda. Gdy lód całkowicie się stopi, temperatura powstałej z niego wody stopniowo się podnosi. Każde ciało topi się w niezmiennej temperaturze, zwanej temperaturą topnienia ciała. Dotyczy to ciał o budowie krystalicznej. Ciała bezpostaciowe, jak np. masło, wosk, parafina nie mają stałej temperatury topnienia. Temperaturę topniejącego lodu Celsjusz uznał za stały punkt swojej skali termometrycznej. Podobnie zachowują się inne ciała.

Badanie zjawiska rozszerzalności temperaturowej ciał stałych Dylatoskop, za pomocą którego bada się rozszerzalność liniową ciał stałych, jest tak skonstruowany, że nieznaczne przyrosty długości prętów metalowych (lub innych) są wskazywane za pomocą przekładni dźwigowej w powiększeniu wielokrotnym, dlatego są zupełnie wyraźne i dostrzegalne.

Badanie zjawiska rozszerzalności temperaturowej ciał stałych Badany pręt metalowy (szklany) wkładamy w uchwyty i unierucha -miamy za pomocą śruby jeden z jego końców. Drugi koniec pręta opiera się o krótsze ramię dźwigni obrotowej. Wskazówka metalowa jest około 20 razy dłuższa od ramienia poprzedniego tej dźwigni . Pod prętem znajduje się rynienka, którą należy napełnić denaturatem i zapalić. Przesunięcie końca wskazówki o ok. 6 cm odpowiada wydłużeniu pręta o 6 mm.

Badanie zjawiska rozszerzalności temperaturowej ciał stałych Obserwacje: Wskazówka się podnosi. Po wygaszeniu płomienia temperatura pręta stopniowo się obniża, pręt kurczy się, wskazówka opada.

Badanie zjawiska rozszerzalności temperaturowej ciał stałych Wnioski: Przyrost długości ciała stałego spowodowany ogrzewaniem jest niewielki, niemożliwy do bezpośredniej obserwacji. Dlatego zjawisko rozszerzalności ciał stałych należy obserwować pośrednio, odpowiednio powiększone za pomocą odpowiednich urządzeń. Zmieniając pręty można zauważyć, że ich wydłużenie spowodowane ogrzewaniem jest różne. Najwięcej wydłuża się mosiądz, potem żelazo (stal) i słabo szkło. Ciała stałe pod wpływem temperatury zwiększają swoją długość.

Badanie zjawiska rozszerzalności temperaturowej ciał stałych Przykłady rozszerzalności temperaturowej ciał stałych: 1. Połączenia szyn kolejowych. Zimą, przy bardzo niskich temperaturach, można zauważyć, że między kolejnymi szynami znajdują się szerokie odstępy. Natomiast latem, przy wysokich temperaturach, odstępy są niemal niewidoczne. 2. Stalowe konstrukcje mostów. Rozszerzają się wraz ze wzrostem temperatury. 3. Taśma bimetalowa. Jest ona wykonana z połączonych ze sobą pasków z dwóch różnych metali (inwaru i mosiądzu). Podczas ogrzewania taśmy część wykonana z mosiądzu rozszerza się bardziej niż część wykonana z inwaru. Skutkiem tego jest wygięcie taśmy bimetalowej, która ma zastosowanie w różnego rodzaju urządzeniach.

Rozszerzalność cieplna cieczy zaobserwowaćrozszerzaniesięwody,spowodowanejejogrzewaniem,należynapełnić tę rurkę wodą do wysokości kreski za znaczonej n a przewężeniu. Wystarczy teraz dolną część rurki i dłonią (wstawić do naczynia z gorącą wodą),tak aby rurka była otoczona ze wszystkich stron. Doświadczenie można wykonać stosując różne ciecze. Dylatoskop do badania rozszerzalności cieplnej cieczy ma kształt rurki szklanej przewężonej w górnej części.

Rozszerzalność cieplna cieczy Obserwacje: Obserwujemy podnoszenie się wody w przewężeniu rurki

Rozszerzalność cieplna cieczy Wnioski: Różne ciecze rozszerzają się niejednakowo, znacznie jednak wyraźniej niż ciała stałe.  

Badanie rozszerzalności cieplnej gazu (powietrza) Bierzemy dylatoskop do badania rozszerzalności cieplnej gazów( rurka szklana z jednej strony otwarta, z drugiej strony zakończona niewielkim zbiorniczkiem). Rurka ta wypełniona jest powietrzem pod normalnym ciśnieniem. Słupek powietrza w rurce zamknięty jest słupkiem rtęci . Na rurkę można nałożyć dwa paski gumowe w celu oznaczenia wysokości słupka powietrza w tej rurce przed ogrzewaniem i po ogrzewaniu. Notujemy temperaturę początkową powietrza na zewnątrz, czyli temperaturę powietrza w rurce. Do zlewki nalewamy wodę o temperaturze 50-80°C. Zaznaczamy położenie górnego końca słupka. Wstawiamy dolną część rurki (zbiorniczek z powietrzem) do zlewki z gorącą wodą. Zaznaczamy końcową pozycję słupka rtęci. 

Badanie rozszerzalności cieplnej gazu (powietrza) Obserwacje: Słupek rtęci przesuwa się. Wnioski: Powietrze zamknięte w dolnej części rurki rozszerza się. Powietrze , a także inne gazy, rozszerzają się przy ogrzewaniu bardzo wyraźnie, znacznie wyraźniej, niż ciecze, Ciała stale , ciecze i gazy rozszerzają się przy ogrzewaniu a kurczą przy oziębianiu, przy tym ciała stale rozszerzają się nieznacznie, ciecze bardziej a gazy najbardziej.  

Wrzenie wody pod kloszem pompy próżniowej Przygotuj zlewkę z wodą. Podgrzej wodę do temperatury ok. 800C. Obniż ciśnienie wokół zlewki przy pomocy pompy ciśnieniowej. Obserwacje: Mimo niskiej temperatury, woda paruje i wrze.

Wrzenie wody pod kloszem pompy próżniowej Wnioski: Temperatura wrzenia wszystkich cieczy obniża się wraz z obniżaniem się zewnętrznego ciśnienia, pod którym odbywa się wrzenie.

Cała grupa

AUTORZY I Fabianowski Jakub Grześkowiak Estera Piecuch Dorota Majewski Tomasz Pluta Alicja Skorupska Adrianna Szymańska Joanna Wichliński Jakub Wojciechowska Ola Zagata Krzysztof

AUTORZY II Dawid Kowaluk Kamil Kołodziejczyk Bartosz Hoffman Karolina Michalska Natalia Bajon Bartosz Wołongiewicz Paulina Szostak Dominika Wachelka Monika Styś Agnieszka Pyka Arkadiusz Kuryluk