Krzepnięcie

Krzepnięcie jest termodynamicznym procesem przechodzenia materii ze stanu ciekłego w stan stały.

Dla substancji krystalicznych proces ten zachodzi w określonej, charakterystycznej dla danej substancji temperaturze, przy stałym ciśnieniu. To tak zwana temperatura krzepnięcia. Jest ona taka sama jak temperatura topnienia danej substancji.

Temperatura krzepnięcia wody

Temperatura krzepnięcia wody przy ciśnieniu równym 1 atm = 101 325 Pa wynosi 0°C. W takiej samej temperaturze lód topi się. Temperatura ta przy określonym ciśnieniu stanowi temperaturę równowagi fazowej, w której faza stała i ciekła mogą istnieć jednocześnie.

Ciepło krzepnięcia

Proces krzepnięcia zachodzi pod warunkiem przepływu energii w postaci ciepła.

Ciepło krzepnięcia (topnienia) jest to iloraz ciepła Q potrzebnego do zmiany cieczy w ciało stałe (lub ciała stałego w ciecz) o tej samej temperaturze do tej masy m.

$c_t=\frac{Q}{m}$

gdzie:

Q - dostarczane (lub oddawane) ciepło,
m - masa ciała,
c_t - ciepło krzepnięcia lub topnienia.

Jednostką ciepła krzepnięcia (topnienia) jest J/kg.

Krzepnięcie - diagram fazowy

Krzepnięcie na diagramie fazowym

Proces krzepnięcia uwidaczniamy na schematycznym diagramie fazowym za pomocą strzałki.

Ciecz przechłodzona

Rozpoczęcie krzepnięcia jest uzależnione od obecności w cieczy tak zwanych zarodków krystalizacji, na których rozpoczyna się proces tworzenia kryształów. To mogą być zanieczyszczenia lub już istniejące kryształki. Brak takich zarodków prowadzi do tak zwanego przechłodzenia cieczy, która może osiągnąć temperaturę niższą niż temperatura krzepnięcia. Aby przechłodzić ciecz należy używać czystej chemicznie substancji, bardzo powoli obniżać jej temperaturę i nie wywoływać żadnych wstrząsów. Bez trudu można znacznie przechłodzić glicerynę i metale. Wstrząs lub pojawienie się zarodka wywołuje widowiskowy i gwałtowny proces krzepnięcia.

Krzepnięcie roztworów

W przypadku roztworów przy krzepnięciu roztworów występuje zwykle rozdzielenie na poszczególne składniki. Temperatura krzepnięcia roztworu zależy od stężenia roztworu. Temperatura, w której rozpoczyna się krzepnięcie roztworu, jest zazwyczaj niższa od temperatury krzepnięcia czystego rozpuszczalnika, a dla mieszanin cieczy niższa od temperatur krzepnięcia cieczy składowych. W ten sposób można rozdzielać lub oczyszczać substancje chemiczne.

Tablice

Oto temperatury krzepnięcia (topnienia) dla wybranych substancji:

Substancja	Temperatura topnienia (krzepnięcia) [°C]
azot	-210
cyna	231,9
deuter	-254,4
etan	-183,2
etanol	-114,5
gliceryna	18,18
glikol	-12,3
kobalt	1495
krzem	1417
kwas mrówkowy	8,3
kwas octowy	16,63
kwas siarkowy	10,35
metan	-182,4
miedź	1084,6
mocznik	135
ołów	327,5
platyna	1770
pluton	640
rtęć	-38,83
siarka	119,6
srebro	961,8
tlen	-218,78
węglik hafnu	3960
woda	0

Podane wartości dotyczą ciśnienia w warunkach normalnych (1 atm).

Pytania

Czy można doprowadzić do krzepnięcia substancji nie zmieniając jej temperatury?

Tak. Wynika to wprost z diagramu fazowego. Można czasem tylko poprzez zmianę ciśnienia bez zmiany temperatury również wywołać proces krzepnięcia.

Czy każdą substancję można zestalić pod ciśnieniem atmosferycznym?

Nie. Ciekłego helu nie można zestalić w takich warunkach.

Topnienie

Topnienie jest termodynamicznym procesem przechodzenia materii ze stanu stałego w stan ciekły.

Zmiany stanu skupienia

Stan skupienia substancji zależy od ilorazu energii kinetycznej cząsteczek i energii oddziaływań między tymi cząsteczkami. Jeżeli iloraz ten jest mały, to materia występuje w stanie stałym. Jeżeli iloraz zaś rośnie, to może nastąpić zmiana stanu skupienia.

Stany skupienia

Stan skupienia jest to podstawowa forma w ujęciu makroskopowym, w jakiej występuje substancja, określająca jej podstawowe własności fizyczne. Własności te wynikają z zachowania cząstek, z których ta substancja się składa.