Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Gimnazjum Manowo ID grupy: 98/20_mf_g1 Opiekun: Angelika Kowalska-Kowalik Kompetencja: matematyka i fizyka Temat projektowy: ” Zbadajmy zmiany stanu skupienia” Semestr/rok szkolny: 2010/2011

Stan skupienia ! Stan fizyczny, w którym znajduje się dana substancja w określonych warunkach w średniej temperaturze 20 stopni Celcjusza.

Badacze stanów skupienia ! John Dalton Żyjący w latach 1766-1844 był pierwszym chemikiem, który w tłumaczeniu różnych zjawisk posługiwał się teorią atomistyczną. Badał on gazy - odkrył prawa ciśnień cząstkowych mówiące, iż ciśnienie mieszaniny gazów nie reagujących ze sobą równe jest sumie ciśnień jakie wywierałyby poszczególne składniki mieszaniny umieszczone osobno w tej samej objętości jaką zajmuje ta mieszanina.

Antoine Laurent Lavoisier Wielki chemik francuski żył w latach 1743-1794. Chemia jako nauka na początku XVIII wieku stanowiła zbiór rozmaitych nieuporządkowanych zasad. Taki sam stan rzeczy był panował również w nazewnictwie chemicznym. Lavoisier podjął się uporządkowania nazw substancji. Ta nowa nomenklatura chemiczna opierająca się na nazwach związków prostszych wchodzących w skład substancji złożonych szybko zastąpiła dawny, nic nie mówiący o danym związku system nazw. Jednak zanim Lavoisier wprowadził swoją chemiczną systematykę musiał wprowadzić liczne zmiany w samej chemii.

Eric J. Lerner Eric J. Lerner – urodził się w 1947 roku w Brookline – amerykański popularyzator nauki, niezależny badacz plazmy i odkrywca. Eric Lerner żyje i nadal odkrywa!

Tepmperatura ! Temperatura – jedną z podstawowych wielkości fizycznych w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energies.

t [ °C ] = t [ K ] + 273.15 t [ K ] = t [ °C ] - 273.15 Zależność między temperaturą wyrażoną w stopniach Celsjusza t [°C] a wyrażoną kelwinach t [K] wynosi: t [ °C ] = t [ K ] + 273.15 t [ K ] = t [ °C ] - 273.15 Z kolei zależność między temperaturą wyrażoną w stopniach Celsjusza t [°C] i Fahrenheita t [°F] wynosi: t [ °C ] = 5/9 × ( t [ °F ] - 32 ) t [ °F ] = 9/5 × t [ °C ] + 32

Przykłady !

Skala Kelvina Jej twórcą jest Sir William Thomson (lord Kelvin) - brytyjski fizyk, matematyk i przyrodnik. Skala Kelvina określana jest również skalą absolutną, ponieważ zero dla tej skali oznacza najniższą do osiągnięcia temperaturę (temp. tą określono w sposób teoretyczny, ponieważ w praktyce nie można jej osiągnąć). Przy tej temperaturze zamiera ruch cieplny molekuł gazu (zamierają drgania cząsteczek). Temperaturze 0 K odpowiada wartość -273,15oC.

JEDNOSTKA TEMPERATURY: [K] kelwin; w tej skali nie używa się pojęcia stopień, dlatego błędem jest określanie temp. w stopniach kelwina; przykład: 100 K (sto kelwinów, a nie sto stopni kelwina); kelwin jest jednostką układu SI. Skala Kelvina odpowiada pod względem podziałki skali Celsjusza, dlatego zamiana kelwinów na stopnie Celsjusza odbywa się wg zależności: T[K]= T[oC] + 273,15 lub T[oC] = T[K] - 273,15

Skala Celcjusza Jej twórcą jest Anders Celsjusz, szwedzki fizyk i astronom. W skali Celsjusza punkt Oo odpowiada temperaturze topniejącego lodu przy ciśnieniu atmosferycznym 1013 hPa. Natomiast 100o oznacza temperaturę wrzenia wody przy ciśnieniu atmosferycznym 1013 hPa. Temperaturze 0oC odpowiada wartość 273,15K i 32oF.

JEDNOSTKA TEMPERATURY: [oC] stopień Celsjusza. Skala Celsjusza odpowiada pod względem podziałki skali Kelvina, dlatego zamiana kelwinów na stopnie Celsjusza odbywa się wg zależności: T[K] = T[oC] + 273,15 lub T[oC] = T[K] - 273,15 Natomiast zamiana stopni Celsjusza na stopnie Fahrenheita i odwrotnie odbywa się wg zależności: T[oF] = 32 + 9/5 T[oC] oraz T[oC] = 5/9 (T[oF] – 32 )

Skala Fahrenheita Jej twórcą jest Daniel Gabriel Fahrenheit. Powszechnie stosowana jest w USA oraz niektórych krajach anglosaskich W skali Fahrenheita punkt Oo odpowiada temperaturze topniejącej mieszaniny salmiaku (chlorek amonu NH4Cl) z lodem i wodą. Temperatura topnienia lodu to +32oF, a wrzenia wody +212oF. JEDNOSTKA TEMPERATURY: [ o F] stopień Fahrenheita. Zamiana stopni Fahrenheita na stopnie Celsjusza i odwrotnie odbywa się wg zależności: T[oC] = 5/9 (T [ o F] - 32) oraz T [o F] = 32 + 9/5 T[oC]

Ciepło ! Ciepło – w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy: Oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii .

Ciepło właściwe.. Ciepło właściwe jest współczynnikiem określającym skłonność ciała do łatwiejszej lub trudniejszej zmiany temperatury pod wpływem dostarczonej energii cieplnej. Jest ono ściśle związane ze wzorem na ilość energii cieplnej potrzebnej do ogrzania / ochłodzenia ciała.

Ciepło Topnienia .. Ciepło topnienia jest to ilość energii potrzebnej do stopienia jednostki masy danej substancji. W układzie SI jednostką ciepła topnienia jest J/kg (dżul na kilogram). Zależność ciepła pobranego przez substancję od masy substancji jest wyrażona przybliżonym, doświadczalnym wzorem: gdzie: Q – ilość dostarczonego ciepła, m – masa ciała, q – ciepło topnienia.

Ciepło parowania .. Ciepło parowania (oznaczane L) - ilość energii potrzebnej do odparowania jednostki masy danej substancji, przy stałym ciśnieniu i temperaturze. W układzie SI jednostką ciepła parowania jest J/kg. Stosuje się też jednostkę J/mol. Ciepło parowania zależy silnie od ciśnienia (temperatury) zmiany stanu skupienia, malejąc wraz ze wzrostem temperatury i osiągając 0 w punkcie krytycznym

Topnienie Przejście substancji ze stanu stałego w ciecz, zachodzi w stałej temperaturze zwanej temperaturą topnienia ( dla wody 0 C). Przykład: Pozostawione na talerzyku lody stopiły się, pozostała tylko płynna, gęsta masa.

Krzepnięcie To proces przechodzenia ciała ze stanu ciekłego w stan stały. Przykład: Pozostawiona na kilka minut woda w kubku nie zamieniła się w lód, lecz uległa procesowi krzepnięcia ( pływają w niej grudki, trochę zgęstniała).

Sublimacja Przemiana fazowa bezpośredniego przejścia ze stanu stałego w stan gazowy z pominięciem stanu ciekłego. Przykład: Mokre ubrania wywieszone na sznurkach. Kiedy jest bardzo zimno woda w ubraniach zamarza, a powstały lód sublimuje.

Resublimacja Przejście fazowe, polegające na bezpośrednim przechodzeniu substancji z fazy gazowej (pary) w fazę stałą z pominięciem stanu ciekłego. Przykład: W powietrzu tworzą się kryształki lodu, które spadają później na ziemię w postaci mżawki ; kondensacja pary wodnej, pojawiająca się na drzewach w formie szadzi.

Skraplanie Przejście fazowe, polegające na bezpośrednim przechodzeniu substancji z fazy gazowej (pary) w fazę stałą z pominięciem stanu ciekłego. Przykład: Para wodna na szybach pod wpływem ciepła zamienia się w krople wody

Parowanie Proces polegający na odrywaniu się cząstek wody od wilgotnej powierzchni (np. oceanu, gruntu, roślin) i przechodzeniu jej do powietrza jako drobiny pary wodnej, podczas którego pobierana jest energia z otoczenia. Przykład: Dziewczynka wystawiła na dwór miseczkę z wodą w gorący, słoneczny dzień. Już po kilku godzinach nie było w niej wody.

Wrzenie Intensywne parowanie cieczy podczas jej ogrzewania, zachodzące zarówno na powierzchni cieczy jak i w całej objętości, gdzie tworzą się pęcherze (wrzenie pęcherzykowe) lub warstewki pary (wrzenie błonowe). Przykład: Podgrzewana woda w garnku wrze.

Zadania Rachunkowe ! Zadanie Ile energii trzeba dostarczyć, aby 5 kg lodu o temperaturze -10 zamienić w parę o temperaturze 100 ? Rozwiązanie: Zwróćmy uwagę, że możesz wyróżnić cztery etapy. Każdy z nich wymaga określonej porcji ciepła, którą musimy obliczyć. 1)Q1 to ciepło potrzebne do ogrzania lodu od - 10oC do 0oC . 2)Q2 to ciepło potrzebne do stopienia tego lodu w temperaturze 0oC. 3)Q3 to ciepło potrzebne do ogrzania wody, powstałej z tego lodu, od 0oC do 100oC. 4)Q4 to ciepło potrzebne do zamiany wody o temperaturze 100oC w parę. Wypisujemy dane :  

Wygodnie jest wprowadzić oznaczenia dla zmiany temperatury lodu (T1) i zmiany temperatury wody (T w). Wyszukujemy w tabelach wszystkie potrzebne stałe. Zwróćmy uwagę na to, że woda i lód mają różne ciepła właściwe! Pamiętajmy również, że masa substancji nie ulega zmianie, zmienia się tylko jej stan skupienia. m = 5kg ΔT1= 0 - (-10oC) = 10oC ΔT w =100 - 0 = 100oC Clodu = 2400 J / kg × oC Ct = 334 kJ / kg Cwody = 4200 J / kg × oC Cp = 2260 kJ / kg

Obliczamy kolejne porcje potrzebnej energii cieplnej: 1)Q1 = clodu m 1 = 2400 5kg 10 = 120 000 J = 120 kJ 2)Q2 = ct m = 334 5kg = 1670 kJ 3)Q3 = cwody w = 4200 5kg ×100 = 2 100 000 J = 2100 kJ 4)Q4 = cp × m = 2260 × 5kg = 11 300 kJ Teraz czas na obliczenie sumy wszystkich porcji energii: 120 kJ + 1670 kJ + 2100 kJ + 11 300 kJ = 15 190 kJ = 15,19 MJ Odpowiedź: Podanej ilości lodu należy dostarczyć 15,19 MJ energii w postaci ciepła.

Po pięciu minutach obserwacji zobaczyliśmy że lód zaczął się roztapiać Doświadczenie ! Na początku przygotowaliśmy kostki lodu które przygotowaliśmy dwie lekcje wcześniej A następnie położyliśmy kostki lodu na szkle Na początku przygotowaliśmy kostki lodu które przygotowaliśmy dwie lekcje wcześniej A następnie położyliśmy kostki lodu na szkle Po pięciu minutach obserwacji zobaczyliśmy że lód zaczął się roztapiać

Doświadczenie ! Weź kolbę i ustaw ją na statywie a następnie wlej do niej wodę i podgrzewaj Widać , że podgrzana woda paruje

Doświadczenie ! Kolbę z wodą podgrzaliśmy .Na powierzchni wody pojawiły się bąbelki. Po podgrzaniu kolby z wodą na ściankach osadziła się para która z zetknięciem z zimnym powietrzem zaczęła się skraplać .

Dziękujemy za uwagę !