Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Zespół Szkół Publicznych Gimnazjum w Golczewie ID grupy:98_51_g1 Opiekun: Wiesława Trepkowska Kompetencja: Matematyka-Fizyka Temat projektowy: Zmiany stanów skupienia Semestr/rok szkolny:2010/2011

Główne Cele Przypomnienie i utrwalenie wiadomości na temat trzech stanów skupienia Zjawisko fizyczne: zmiany stanów skupienia wykorzystane przez człowieka w życiu codziennym i gospodarce Przeprowadzenie doświadczeń z zakresu zmian stanów skupienia, rozszerzalności cieplnej ciał Doświadczalne wyznaczenie ciepła właściwego wody Kształcenie umiejętności rozwiązywania zdań dotyczących bilansów cieplnych

Obecnego podziału substancji na trzy stany skupienia: ciała stałe, ciecze i gazy dokonano w XVII w. Fizycy wprowadzili pojęcie stanu skupienia aby odróżnić ciała o tym samym składzie chemicznym, ale różnych właściwościach fizycznych. W 1928 roku amerykański fizykochemik, noblista Irwing Langmur wprowadził określenie plazmy, którą nazywa się czwartym stanem skupienia.

Stany skupienia materii Podział tradycyjny: Podział aktualny: Stan stały Stan ciekły Stan gazowy Faza płynna: plazma faza gazowa faza płynna Faza stała: faza krystaliczna faza plastyczna faza amorficzna

plazma To zjonizowana materia przypominająca gaz, złożona z cząstek naładowanych elektrycznie jak i obojętnych. Mimo, że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna. Powstaje np. podczas wyładowań atmosferycznych. Najbardziej znana w życiu codziennym to światło jarzeniówki, inny przykład to łuk elektryczny.

Charakterystyka stanów skupienia Ciała stałe: Odległości między cząsteczkami są rzędu średnicy cząsteczek Cząsteczki drgają wokół położeń równowagi Oddziaływanie między cząsteczkami są bardzo silne Posiadają swój kształt i objętość

Ciecze: Odległości między cząsteczkami są nieco większe od średnicy cząsteczek Cząsteczki przemieszczają się względem siebie Oddziaływanie między cząsteczkami są słabe Przyjmują kształt naczynia i posiadają swoją objętość

Gazy: Odległości między cząsteczkami są rzędu dużo większe niż średnica cząsteczek Cząsteczki przemieszczają się swobodnie Oddziaływania między cząsteczkami mają miejsce tylko podczas zderzeń Przyjmują kształt naczynia i wypełniają całą jego objętość

Stan ciekły Stan gazowy Stan stały

Właściwości fizyczne ciał stałych Większość ma określony kształt Trudno jest zmienić ich objętość Większość ciał stałych zmienia swój kształt pod wpływam odpowiednio wysokiej temperatury Mogą być kruche, sprężyste, plastyczne Część ciał stałych bardzo dobrze przewodni prąd (np. miedź, srebro, żelazo, stal) Część nie przewodzi prądu (np. szkło, porcelana) Niektóre dobrze przewodzą ciepło Niektóre są izolatorami ciepła ( parafina, drewno, szkło)

Właściwości fizyczne cieczy Nie mają określonego kształtu( przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują) Są mało ściśliwe i rozprężliwe Ciecze, które przewodzą prąd elektryczny nazywamy elektrolitami Nieelektrolity to ciecze, które nie przewodzą prądu Konwekcja to sposób przewodzenia ciepła w cieczach i gazach, polega na tym, że cieplejsze warstwy unoszą się

Właściwości fizyczne gazów Gazy nie mają określonego kształtu, zajmują całą dostępną im objętość Łatwo zmienić ich objętość (są ściśliwe i rozprężliwe) Są złymi przewodnikami ciepła i prądu elektrycznego Cały czas się przemieszczają Podobnie jak ciecze gazy ulegają zjawisku konwekcji

Zmiany stanów skupienia

Wykres przejść fazowych

STAN skupienia materii Podstawowa forma, w jakiej występuje substancja określająca jej podstawowe własności fizyczne. Własności substancji wynikają z układu oraz zachowania cząsteczek tworzących daną substancję. Bardziej precyzyjnym określeniem form występowania substancji jest faza materii.

Parowanie i skraplanie Parowanie jest zjawiskiem odwrotnym do skraplania. Ciepło parowania jest równe liczbowo ilości ciepła, które trzeba dostarczyć aby 1kg substancji w temperaturze wrzenia zamienić w gaz. Ciepło parowania oblicza się ze wzoru: Cp=Q/m Jednostką ciepła parowania jest J/kg Ciepło parowania jest liczbowo równe ciepłu skraplania

Parowanie zachodzi wtedy, gdy cząsteczki mają dostatecznie dużą prędkość, pozwalającą im na opuszczenie cieczy. Utworzone w ten sposób cząsteczki tworzą gaz, który wypełnia całą dostępną objętość naczynia. Skraplanie następuje wtedy, gdy gaz zostaje odpowiednio ochłodzony. W takich warunkach cząsteczki poruszają się coraz wolniej i przyciągają się do siebie, a siły przyciągania między cząsteczkami powodują ich „przyklejanie się” do siebie. Prędkość z jaką poruszają się cząsteczki jest zbyt duża, aby mogły się one połączyć w sztywną strukturę. Tworzy się ciecz.

Zjawisko parowania występuje na powierzchni cieczy, wrzenie natomiast to zamiana w gaz, która odbywa się w całej objętości cieczy. W procesie tym dostarczamy ciepło, które sprawia, że cząsteczki poruszają się szybciej w końcu osiągają taka prędkość, że siły wzajemnego przyciągania stają się zbyt słabe, żeby je razem utrzymać. Wtedy cząsteczki zaczynają się swobodnie przemieszczać i mówimy, że ciecz wrze.

Parowanie wody z czajnika Para wodna skropliła się na zimnym lustrze

Topnienie i krzepnięcie Topnienie polega na rozerwaniu wiązań między cząsteczkami ciała stałego pod wpływem dostarczonego ciepła. Cząsteczki poruszają się coraz szybciej i w końcu odrywają się od siebie. Ciało traci swój określony kształt i zamienia się w ciecz. Krzepnięcie polega na tym, że poruszające się coraz wolniej cząsteczki cieczy przyciągają się do siebie i łączą się tworząc stałą strukturę.

Topnienie i krzepnięcie

Sublimacja i resublimacja Sublimacja jest to zjawisko bezpośredniego przejścia ze stanu stałego w stan gazowy z pominięciem stanu ciekłego. Resublimacja jest to zjawisko bezpośredniego przejścia ze stanu gazowego w stan stały z pominięciem stanu ciekłego.

Wykorzystanie zmian stanów skupienia Topnienie to na przykład topnienie śniegu zimą, schładzanie napojów kostkami lodu, topnienie cyny podczas lutowania, topnienie rud metali w hutach. Proces krzepnięcia wykorzystuje się w produkcji szkła, świec, w hutach metali, czy produkcji czekolady. Parowanie w życiu codziennym to suszenie. Parowanie i skraplanie wykorzystywane jest do rozdzielania i oczyszczania różnych substancji chemicznych- inaczej destylacja. Procesowi takiemu poddaje się np. ropę naftową. Sublimację i resublimację wykorzystujemy także do rozdzielania i oczyszczania różnych substancji np. siarki - kwiat siarczany.

doświadczenie Przygotowaliśmy: Buteleczkę jodyny Słoik ze szczelną zakrętką Naczynie z ciepła wodą Przelaliśmy jodynę do słoika, poczekaliśmy aż alkohol odparuje. Szczelnie zamknęliśmy słoik. Ciemne plamy pokrywające wnętrze słoika to jod w stanie stałym. Następnie wstawiliśmy słoik do naczynia z ciepłą wodą. Po pewnym czasie plamy na ścianach słoika zniknęły natomiast przestrzeń w słoiku nabrała fioletowego koloru. Zawartość słoika to jod w stanie gazowym. Nastąpiła sublimacja

Jod w stanie gazowym Jod w stanie stałym

Następnie ten sam słoik wstawiliśmy do lodówki Następnie ten sam słoik wstawiliśmy do lodówki. Po wyjęciu zaobserwowaliśmy zmiany, zniknęło zabarwienie gazu w słoiku, a ściany słoika pokryły się nalotem stałego jodu. Zaszła resublimacja.

Rozszerzalność temperaturowa Rozszerzalność temperaturowa (cieplna) ciał to zwiększanie objętości ciał w miarę wzrostu temperatury i zmniejszanie ich objętości w miarę zmniejszania temperatury. Ogrzewane ciała stałe, ciecze i gazy zwiększają swoją objętość, gdyż ich cząsteczki po dostarczeniu im ciepła poruszają się szybciej. Największą rozszerzalność posiadają gazy, a najmniejszą ciała stałe.

Rozszerzalność ciał stałych Doświadczenie z monetą: Umieściliśmy dwie szpilki w odległości równej średnicy monety, następnie wrzuciliśmy monetę do wrzącej wody, po chwili sprawdziliśmy ponownie jej średnicę. Moneta nie przechodzi tym razem przez odległość między szpilkami. Średnica gorącej monety jest nieco większa niż zimnej monety. Pod wpływem temperatury moneta zwiększyła swoja objętość.

Rozszerzalność temperaturowa cieczy Doświadczenie: Przygotowaliśmy strzykawkę, zabarwiony alkohol, naczynie z gorącą woda. Nabieramy zabarwioną ciecz do strzykawki i obserwujemy jej poziom, następnie umieszczamy strzykawkę w gorącej wodzie i ponownie obserwujemy poziom cieczy w strzykawce. Poziom cieczy nieco podniósł się. Ciecz zwiększyła swoją objętość. Poziom cieczy po ogrzaniu Poziom zimnej cieczy

Rozszerzalność temperaturowa gazów Doświadczenie: Do naczynia z wodą wkładamy butelkę otworem do dołu, następnie ogrzewamy (suszarką) powietrze w butelce. Z butelki zaczynają uwalniać się bąbelki gazu. Ogrzane powietrze zwiększyło swoja objętość.

Wyznaczanie ciepła właściwego wody Opis doświadczenia: Przygotowaliśmy porcje wody odmierzone cylindrami miarowymi, czajnik elektryczny o określonej mocy, stoper do pomiaru czasu, termometr do pomiaru temperatury wody. Odmierzamy 200 lub 250 ml wody, mierzymy jej temperaturę początkową, wlewamy do czajnika i mierzymy czas do momenty zagotowania się wody. Wyniki zestawiamy w tabeli

Temperatura początkowa Tabela wyników Objętość wody [ml] Temperatura początkowa [ °C] Czas [s] 200 25 32 240 24 37 250 38 20 40 36

Wzory z jakich korzystaliśmy Q=m•cw•ΔT Q=P•t Cw=P•t/m•ΔT Cw- ciepło właściwe P- moc czajnika [W] t- czas [s] m- masa [kg] ΔT- różnica temperatur końcowej i początkowej [°C]

obliczenia cw=2000•32/75•0,2=4266 [J/kg•°C] 1. m=200g=0,2kg t=32s ΔT=100-25=75 P=2000W cw=2000•32/75•0,2=4266 [J/kg•°C] 2. m=250g=0,25kg t=38s ΔT=100-26=74 P=2000W Cw=4108 [J/kg•°C] 3. m=240g=0,24kg t=37s ΔT=100-24=76 P=2000W Cw=4166 [J/kg•°C] 4. m=250g=0,25kg t=40s ΔT=100-20=80 P=2000W Cw=4000 [J/kg•°C] 5. m=250g=0,25kg t=36s ΔT=100-25=75 P=2000W Cw=3840 [J/kg•°C]

Dyskusja wyników Ciepło właściwe wody wynosi ok. 4200 J/kg·°C nasze wyniki są zbliżone, sądzimy że błędy wynikają ze strat ciepła podczas ogrzewania, subiektywnego odczytania momentu wrzenia wody, małej dokładności użytych przyrządów pomiarowych.

Tak pracowaliśmy

Zadania rachunkowe Zadanie 1 Kostkę lodu o wymiarach 8cm,8cm, 3cm i temperaturze -10°C postawiono na talerzu. Ile ciepła pobierze ona do całkowitego stopienia się? Przyjmujemy, że ciepło właściwe lodu wynosi 2100 J/kg•°C, ciepło topnienia lodu wynosi 335 kJ/kg, a gęstość lodu to 900 kg/m3 Dane: szukane: a=8cm=0,08m Q=? b=8cm=0,08m c=3cm=0,03m T1=-10°C C1=2100J/kg•°C Ct=335kJ/kg D=900kg/m3

Rozwiązanie: Obliczamy objętość kostki lodu: V=a·b·c=0,08·0,08·0,03=0,000192 m3 Obliczamy masę lodu korzystając ze wzoru na gęstość: m=d·V=900·0,000192=0,1728 kg Obliczamy ilość ciepła jaką pobierze lód do temperatury0°C Q1=m·c1·ΔT=0,1728·2100·10=3628,8 J Q2-to ilość ciepła potrzebna na stopienie lodu Q2=m·ct=0,1728·335000=57888 J Całkowita ilość ciepła Q=Q1+Q2=3628,8+57888=61517J=61,5 kJ Odp: Kostka lodu pobierze 61,5 kJ ciepła.

Zadanie 2 Ile ciepła należy dostarczyć 30 g etanolu, znajdującego się w fazie wrzenia aby go całkowicie zamienić w gaz? Dane: Szukane: m=30 g =0,03kg Q=? cp=854000 J/kg Rozwiązanie: Q=m·cp=0,03kg·854000 J/kg=25620 J=25,6 kJ Odp:Aby 30 g etanolu zamienić w gaz należy dostarczyć 25,6 kJ ciepła.

Korzystaliśmy z : http://www.itforuse.oeiizk.waw.pl http://stany-skupienia.bizhat.com http://www.profesor.edux.pl http://wiki:wolna „Zadania z fizyki dla każdego” A.Bożek, K. Nessing Podręcznik i ćwiczenia do fizyki- ”Fizyka dla gimnazjum” M. Rozenbajger, R. Rozenbajger

DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ