06_6_ Změny skupenství látek Ing. Jakub Ulmann Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově 06_6_ Změny skupenství látek Ing. Jakub Ulmann

6 Změny skupenství látek 6.1 Tání 6.2 Tuhnutí 6.3 Změna objemu při tání (tuhnutí) 6.4 Vypařování a var 6.5 Kapalnění, sublimace, desublimace 6.6 Sytá pára 6.7 Vodní pára v atmosféře 6.8 Fázový diagram

6 Změny skupenství látek Př. 1: Doplňte názvy změn skupenství. Př. 2: Při kterých změnách přijímá látka teplo? Při kterých teplo odevzdává? Uveďte příklady. Tání sněhu – sníh přijímá. Výroba ledu – voda odevzdává. Odpařování vody z povrchu těla – voda přijímá teplo. plyn desublimace kapalnění var vypařování kapalina tuhnutí tání sublimace pevná látka

6.1 Tání Tání je děj, při kterém se mění pevné skupenství látky na kapalné. Př. 3: Zahříváme pevnou látku (led, vosk, olovo) ⇒ zvyšuje se její teplota ⇒ po určité době se promění v kapalinu (roztaje). Na uvedených grafech je zaznamenán průběh teplot při neustálém zahřívání dvou látek. Uveďte rozdíly v chování obou látek a přiřaďte, o jaké látky se může jednat.

Př. 4: Proč je rozdílný průběh tání krystalické a amorfní látky. Př Př. 4: Proč je rozdílný průběh tání krystalické a amorfní látky? Př. 5: Znázorněte průběh teploty při ochlazování vody v mrazničce z teploty 20 °C na teplotu -20 °C. Př. 6: Najdi v tabulkách teplotu tání a měrné skupenské teplo tání uvedených látek: led (voda), NaCl, olovo, železo, cín Př. 7: Co je to teplota tání?

Př. 8: Kolik tepla musíme dodat 2 kg olova, které je v pevném skupenství a má teplotu 327 °C, aby se změnilo na kapalinu? Skupenské teplo tání je množství tepla, které musíme dodat látce, aby roztála. lt - měrné skupenské teplo tání (teplo nutné k roztátí 1 kg látky zahřáté na teplotu tání). Jednotka: J  kg-1 lt m = 1 kg tt

Př. 9: Urči, kolik tepla je potřeba k roztátí 500 g olova o teplotě 20 °C. Př. 10: Jaký je rozdíl mezi skupenským teplem tání a měrným skupenským teplem tání? Př. 11: Urči, o kolik stupňů by se zahřála voda, které bychom dodali teplo potřebné na roztátí stejného množství ledu o teplotě 0 °C. Měrné skupenské teplo vody je poměrně velké: Sníh na jaře odtává pomalu (pokud do něj neprší). Kvůli zahnání žízně se nemá jíst sníh (nebezpečí umrznutí).

3.161 Pevná látka o hmotnosti 2,0 kg je zahřívána na teplotu tání a při této teplotě zcela roztaje. Na obr. je graf vyjadřující teplotu látky jako funkci přijatého tepla. Určete a) skupenské teplo tání daného množství látky, b) měrné skupenské teplo tání této látky.

Př. 12: Na grafu je zachyceno ohřívání 0,5 kg ledu Př. 12: Na grafu je zachyceno ohřívání 0,5 kg ledu. Urči tepelný výkon vařiče.

6.2 Tuhnutí Necháváme chladnout kapalinu, která vznikla zahřátím z krystalické látky ⇒ při určité teplotě (u chemicky čistých látek se shoduje s teplotou tání) kapalina přestane chladnout a začne se měnit v pevnou látku (krystalizovat). Jak tuhnutí probíhá? V kapalině vznikají zárodečná krystalizační jádra ⇒ k jádrům se přidávají další částice ⇒ krystalky postupně rostou ⇒ v okamžiku ztuhnutí tvoří látku dotýkající se polykrystalická zrna. Pokud je zárodečné jádro pouze jedno, vytvoří se monokrystal. Co se stane, když v kapalině nebude žádné krystalizační jádro? U některých kapalin může pokračovat ochlazování ⇒ přechlazená kapalina. Jakmile do přechlazené kapaliny přidáme krystalizační jádro, začne rychle krystalizovat.

Přechlazená voda v oblacích se přeměňuje v led na křídlech letadel Přechlazená voda v oblacích se přeměňuje v led na křídlech letadel. Horký led http://www.ceskatelevize.cz/porady/10121359557- port/250-horky-led/video/ Př. 1: Jak se během krystalizace mění teplota přechlazené kapaliny? Protože se během krystalizace uvolňuje teplo, musí teplota přechlazené kapaliny stoupat (až k bodu tání). Např. přechlazená voda o teplotě -10 °C se po vzniku jádra začne rychle měnit na led, ale jeho teplota stoupne na -5 °C. Toto zvláštní chování (podchlazení) u tání nenajdeme.

6.3 Změna objemu při tání (tuhnutí) Je známá věc, že voda, která zmrzne, může rozbít sklenici, zničit vodovodní potrubí apod. Objem vody a některých dalších látek se při tuhnutí zvětšuje (hustota zmenšuje). U těchto látek také s rostoucím tlakem teplota tání klesá. U 100 krát většího tlaku, než je normální, poklesne teplota přibližně o 1 °C. Regelace (znovuzamrznutí) ledu.

Objem většiny látek se při tuhnutí zmenšuje. Př Objem většiny látek se při tuhnutí zmenšuje. Př. 1: Co nastává při tuhnutí odlitků z různých kovů, jak musíme navrhovat formy, ze kterých se odlitky vyrábějí? Zmenšují se. Formy se zhotovují větší… Př. 2: Co se stane, když do většího množství roztaveného vosku hodíme kus pevného vosku? Potopí se? Pevný vosk se potopí (má větší hustotu než roztavený vosk) a postupně se roztaví. Př. 3: Jak se změní hustoty různých látek při tuhnutí? Uveď příklady. Hustota ledu je menší než vody, hustota železa, hliníku atd. se zvětší.

http://fyzikalniulohy.cz/uloha.php?uloha=488 Př. 4: Na led o hmotnosti 3 kg a teplotě 0 °C nalijeme 2 kg vody o teplotě 100 °C. Roztaje všechen led? Teplo potřebné na roztavení ledu: Lt = ? kJ, m = 3 kg, lt = 334 kJ/kg Lt = m . lt = 3 . 334 = 1002 kJ Teplo, které může předat voda: Q = ? kJ, m = 2 kg, t2 = 100 °C, t1 = 0 °C, c = 4,18 kJ/kg.°C Q = m . c . (t2 - t1) Q = 2 . 4,18 . (100 - 0) Q = 8,36 . 100 Q = 836 kJ Všechen led neroztaje, při ochlazení vroucí vody na 0 °C předá voda teplo 836 kJ, ale k roztavení ledu je třeba teplo 1002 kJ.

Př. 3.157 Vodu o hmotnosti 5,5 kg a o teplotě 70 °C máme ochladit na teplotu 30 °C vhozením ledu o teplotě 0 °C. Jaká je potřebná hmotnost ledu? Měrné skupenské teplo tání ledu je 332 kJ  kg–1. Tepelnou kapacitu nádoby neuvažujte. Při tepelné výměně, která nastane, přijme led stejné teplo, jaké odevzdá voda při poklesu teploty. Led přijme teplo na přeměnu skupenství a teplo na ohřátí na teplotu 30 °C.

3.158 Za určitých podmínek lze vodu přechladit až na teplotu –10 °C, přičemž zůstává v tekutém stavu. Jaká hmotnost ledu vznikne z hmotnosti 1,20 kg takto přechlazené vody, jestliže vhozením kostky ledu způsobíme její ztuhnutí? Měrná tepelná kapacita vody je 4,18 kJ  kg–1  K–1, měrné skupenské teplo tání ledu je 332 kJ  kg–1. Při přechlazování jsme odebrali teplo, které můžeme spočítat s měrnou tepelnou kapacitou vody. Po vhození kostky začne tuhnutí, při kterém se voda ohřeje na teplotu tání, tedy 0 °C, uvolní se teplo, které je stejné jako odebrané teplo při tuhnutí. Z velikosti tohoto tepla vypočítáme hmotnost ledu, který vznikne.

3.169 Vypočtěte teplo potřebné k tomu, aby se led o hmotnosti 1,0 kg a teplotě –10 °C ohřál na teplotu tání za normálního tlaku, při této teplotě roztál, vzniklá voda se ohřála na teplotu varu a při této teplotě se zcela přeměnila v páru. Potřebné údaje vyhledejte v MFChT. 3 MJ Nakresli graf, který zachycuje závislost teploty na čase, zvol si výkon ohřívače tak, aby časové úseky odpovídaly skutečnosti.

6.4 Vypařování a var Př. 1: Teplota varu vody za normálního tlaku je 100 C ° . Vysvětli, jak je možné, že prádlo uschne i při teplotách podstatně nižších. Částice kapaliny, která má dostatečnou rychlost, pohybuje se správným směrem a je blízko u hladiny může opustit kapalinu (vypaří se) i za nižší teploty. Př. 2: Rozhodni, za jakých podmínek se zvýší rychlost vypařování kapaliny. Rychlost vypařování závisí na: druhu kapaliny, velikosti jejího volného povrchu, teplotě kapaliny, odvodu vzniklých par.

Při vypařování se kapalina ochlazuje, odebírá z okolí teplo. Př. 3: Vysvětli proč je člověku zima, když vyleze z vody. Proč je člověku ještě větší zima, když vyleze z vody a zafouká vítr. Proč se po dešti, když vylezeme z vody, zdá, že je venku docela teplo? Z kapek vody na těle se vypařuje voda ⇒ kapky se ochlazují (ty rychlé molekuly odcházejí nejdřív) ⇒ studí. Vítr odnese vypařené molekuly vody od těla ⇒ zrychlí se vypařování ⇒ teplota kapek se více sníží ⇒ větší chlad. Vzduch obsahuje velké množství molekul vody ⇒ pomalé vypařování molekul z kapek ⇒ pomalejší ochlazování kapek. Při vypařování se kapalina ochlazuje, odebírá z okolí teplo.

Skupenské teplo vypařování - je teplo, které musíme dodat kapalině, aby se změnila na páru o stejné teplotě. lv je měrné skupenské teplo vypařování (závisí na druhu látky a teplotě). Hodnoty najdeme v tabulkách. Víme, že kapalina se vypařováním mění v páru za všech teplot. Čím je zajímavá teplota varu? Při teplotě varu: • se kapalina přestává ohřívat a veškeré dodávané teplo se spotřebuje na změnu skupenství, • se kapalina mění na páru nejen na povrchu kapaliny, ale v celém svém objemu.

Teplota varu závisí významně na vnějším tlaku: čím vyšší tlak, tím vyšší teplota varu. U vody platí: Pokus: var vody za sníženého tlaku ve vývěvě. Př. 4: Vysvětli, proč je ve vysokých horách nutné vařit brambory delší dobu. Nižší atmosférický tlak ⇒ voda vaří při nižší teplotě ⇒ na vařené brambory působí nižší teplota a změny trvají déle.

Př. 5: Urči množství tepla, které musíme dodat 1,5 litru vody o teplotě 10 °C, aby se vyvařila. Jaká část tohoto tepla je potřebná ke změně skupenství? Vodu musíme nejdříve ohřát na teplotu varu: 567 kJ Vodu ohřátou na 100 °C můžeme vyvařit: 3 390 kJ 86 % energie spotřebujeme na vyvaření vody.

6.5 Kapalnění, sublimace, desublimace Kapalnění (kondenzace) Při snižování teploty páry se pára mění v kapalinu. Kde dochází ke kondenzaci? • na povrchu kapaliny, • na povrchu pevné látky (orosení skel, rosa), • ve volném prostoru - kondenzaci usnadňují kondenzační jádra (prach, saze, nabité částice), kolem kterých postupně narůstají kapičky. „Pára“ nad hrncem, „pára“ u pusy není vodní pára. Jedná se o zkondenzované vodní kapičky, které se rychle vypaří. Vodní pára je neviditelná!

Sublimace Přímá změna skupenství z pevné látky na plyn. Částice sublimují pouze z povrchu. V rychlosti sublimace jsou obrovské rozdíly, rychleji sublimující látky: jod, suchý led (pevný oxid uhličitý), led, páchnoucí a vonící pevné látky. Sublimující látce musíme dodat skupenské teplo sublimace. Desublimace Opak sublimace, skoková změna skupenství z plynného na pevné. Např. jinovatka.

6.6 Sytá pára Př. 1: Vysvětli, proč se voda uzavřená ve sklenici nevypaří (na rozdíl od vody v nádobě bez víka). Po určité době se vypařování zastaví – do kapaliny se vrací stejné množství částic, jaké kapalinu opouští ⇒ pára je v rovnovážném stavu s kapalinou – sytá pára (vzduch nepřijme více vodní páry, 100% vlhkost).

Př. 2: Vysvětli, jak se změní rovnováha uvnitř sklenice, pokud zvětšíme objem prostoru, který vyplňuje pára. Zvětšíme objem páry ⇒ sníží se její tlak, hustota částic a tak i množství částic, které se vrací do kapaliny ⇒ vypaří se další část kapaliny, dokud se tlak nevrátí na původní úroveň. Př. 3: Vysvětli, jak se změní rovnováha uvnitř sklenice, pokud zvýšíme teplotu. Vyšší teplota ⇒ částice kapaliny se pohybují rychleji ⇒ více vypařených částic ⇒ kapalina se opět vypařuje ⇒ zvyšuje se tlak páry a počet vracejících se částic ⇒ rovnováha se časem obnoví při vyšším tlaku (více částic páry s větší rychlostí). Hladina poklesne.

Rovnováha mezi sytou párou a její kapalinou nezáleží na objemu a při dané teplotě se ustaví vždy při stejném tlaku ⇒ pro každou teplotu máme odpovídající hodnotu tlaku syté páry ⇒ graf – křivka syté páry. p pK TK K pA TA A T

Př. 4: Rozhodni, jak se bude při zvyšování teploty měnit hustota kapaliny a jak hustota její syté páry. Hustota kapaliny klesá (při zvyšování teploty se zvětšuje objem kapalin). Hustota syté páry roste (zvyšuje se počet vypařených částic). Během zahřívání kapaliny a její syté páry sice existuje jasné rozhraní mezi kapalinou a páru, ale jejich hustoty se postupně sbližují ⇒ při určité teplotě a určitém tlaku zmizí rozdíl mezi párou a kapalinou. V tomto bodě končí křivka syté páry – kritický bod (K). Pro vodu: Tk = 647,3K = 374,15 °C, pk = 22,13 MPa, ρk = 315 kg m-3

Př. 5: Sledujeme tlak vodní páry v nádobě Př. 5: Sledujeme tlak vodní páry v nádobě. Zakresli do diagramu s křivkou syté páry následující děj. Do nádoby nalijeme trochu vody a nádobu uzavřeme. p K A 20 °C T

Př. 6: Sledujeme tlak vodní páry v nádobě Př. 6: Sledujeme tlak vodní páry v nádobě. Zakresli do diagramu s křivkou syté páry následující děj. Do Papinova hrnce nalijeme vodu a hrnec zahříváme na vařiči. p K A 20 °C T

Za normálních okolností má pára ve vzduchu menší tlak a hustotu než sytá pára ⇒ říkáme, že jde o přehřátou páru. 6.7 Vodní pára v atmosféře V dolních vrstvách atmosféry je vždy obsažena vodní pára (vypařováním z vodních ploch apod.). Větší množství páry při vyšších teplotách hůře snášíme, neboť pocením snižuje organizmus svou teplotu. Většinou je tato vodní pára ve stavu přehřáté páry. Pokud se dostane do stavu syté páry, začne kapalnět např. jako rosa. Mlha není z vodní páry, ale z malých vodních kapiček.

Absolutní vlhkost vzduchu (množství vodní páry ve vzduchu) Jednotka je tedy kg  m-3, častěji se používá g  m-3. Pro každou teplotu existuje max. množství vodních par m, které vzduch přijme. Další pára kondenzuje. Pro studenty: Závislost tlaku a hustoty sytých vodních par na teplotě. Tabulky str. 222. Další údaje: při 40 °C asi 7 kPa, dále při 60 °C asi 20 kPa, při 80 °C asi 50 kPa, při 100 °C asi 100 kPa – atmosférický tlak.

Relativní vlhkost vzduchu: • 100 % - se rovná vlhkosti syté páry ⇒ voda začíná kondenzovat, • 50 % - 70 % ideální rozmezí vlhkosti pro člověka. Př. 7: Při teplotě 25 °C se hmotnost hygroskopické látky zvětšila po průchodu 5 m3 vzduchu o 45 g. Urči absolutní a relativní vlhkost vzduchu. Absolutní hodnota vlhkosti měřeného vzduchu byla 9 g m-3, relativní 39 %.

Teplota rosného bodu Je teplota, na kterou bychom museli izobaricky ochladit vzduch o neměnné absolutní vlhkosti, aby se stal sytou párou. Při dalším snížení teploty, by pak pára začala kondenzovat. Jde tedy o teplotu, na kterou musíme ochladit vzduch, aby se začala tvořit rosa. Př. 8: Urči přibližně teplotu rosného bodu pro vzduch z předchozího příkladu. Okolo 9 °C. Př. 9: Uveď příklad, kdy se tvoří rosa. Jak k tomu konkrétně dojde?

Každá látka má svůj fázový diagram. Kromě křivky syté páry, můžeme do diagramu p – T zakreslit další křivky rovnovážných stavů – křivku tání a sublimační křivku. Každá látka má svůj fázový diagram. Př. 1: Vyznačte, ve kterých oblastech se vyskytuje pevná látka, kapalina a plyn. pa

Fázový diagram pro vodu s logaritmickou stupnicí tlaku

Trojný bod znázorňuje rovnovážný stav všech tří skupenství. Teplota trojného bodu vody je základní teplota termodynamické stupnice. TA = 273,16 K (tj. 0,01 °C), tlak pA = 0,61 kPa

Fázový diagram tvořený křivkou syté páry, křivkou tání a sublimační křivkou umožňuje zjistit, v jakém skupenství se za daných vnějších podmínek bude látka v rovnovážném stavu nacházet. Př. 2: Zakreslete do fázového diagramu vody tyto stavy: sytá pára, voda, rovnovážný stav ledu a vodní páry, přehřátá pára a kritický stav.

Př. 3: Zakreslete do fázového diagramu, jak můžeme změnit kapalinu na plyn. Snížením tlaku a zvýšením teploty… V průběhu přeměny se vytvoří rozhraní mezi kapalinou a párou. Může nastat zvláštní případ, kdy bude látka stále homogenní.

Př. 4: Navrhni, jakými základními způsoby je možné zkapalnit plyn Př. 4: Navrhni, jakými základními způsoby je možné zkapalnit plyn. Zakresli děje do fázového diagramu. Ochlazením a zvýšením tlaku. Vlevo ochlazením za konstantního tlaku, vpravo stlačením za konstantní teploty (častější případ v technické praxi).

Př. 5: Atmosférický tlak na povrchu Měsíce je menší než tlak odpovídající trojnému bodu vody. V jakých skupenstvích se zde může vyskytovat voda? V pevném a plynném. Měsíc prakticky nemá atmosféru (pouze ionty s nízkou energií...), takže v plynném také ne. Pokud je voda na Měsíci, tak ve formě ledu ve stínech některých kráterů. Vydolovat ji z horniny nebude nic jednoduchého. Na přípravu jednoho hrnku kávy bychom odhadem museli překopat asi 300 kg měsíční horniny. Konec prezentace.

Autor prezentace a ilustrací: Fotografie použité v prezentaci: Ing. Jakub Ulmann Fotografie použité v prezentaci: Na snímku 1: Ing. Jakub Ulmann Použitá literatura a zdroje: [1] RNDr. Karel Bartuška, CSc., prof. RNDr. Emanuel Svoboda, CSc.: Fyzika pro gymnázia – Molekulový fyzika a termika, Prometheus, Praha 2007 [2] Doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc., RNDr. Milan Bednařík, CSc., doc. RNDr. Miroslava Široká, CSc.: Fyzika – Sbírka úloh pro střední školy, Prometheus, Praha 2010 [4] Mgr. Jaroslav Reichl: Klíč k fyzice, Albatros, Praha 2005 [5] Mgr. Jaroslav Reichl, www.fyzika.jreichl.com [6] Mgr. Martin Krynický, www.realisticky.cz