Zmiany stanu skupienia

Materia może znajdować się w kilku stanach skupienia (fazach termodynamicznych). Są to:

• gaz,
• ciecz,
• ciało stałe,
• plazma,
• kondensat Bosego-Einsteina.

Na co dzień najczęściej spotykamy się z pierwszymi trzema stanami skupienia materii, choć najpowszechniej występującym stanem we Wszechświecie jest plazma.

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 ten z jakiegoś powodu rośnie, to może nastąpić zmiana stanu skupienia, będącą tak zwanym przejściem fazowym.

Wyróżniamy następujące zmiany stanu skupienia:

• krzepnięcie - przejście ze stanu ciekłego do stałego,
• topnienie - przejście ze stanu stałego do ciekłego,
• parowanie - przejście ze stanu ciekłego do lotnego,
• skraplanie - przejście ze stanu gazowego do ciekłego,
• sublimacja - przejście ze stanu stałego do gazowego,
• resublimacja - przejście ze stanu lotnego od razu do stałego, z pominięciem fazy ciekłej.

Powyższe zmiany stanu skupienia zostały ujęte na schemacie.

Krzepniecie lub topnienie danej substancji (krystalicznej) przy danym ciśnieniu zachodzą w tej samej temperaturze. Parowanie lub skraplanie zachodzi przy różnej temperaturze. Natomiast wrzenie, czyli gwałtowne parowanie, które zachodzi w całej objętości cieczy, zachodzi również w ściśle określonej wartości temperatury przy danym ciśnieniu.

Zmiany stanu skupienia wody

Woda w stanie stałym, czyli lód przy ciśnieniu atmosferycznym 1 atm = 101 325 Pa topi się w temperaturze 0°C. Wrzenie wody w tych warunkach zachodzi zaś w temperaturze 100°C.

Wykres równowagi fazowej

Faza ciała zależy od ciśnienia i temperatury, w jakich się znajduje. Dla różnych substancji sporządza się tak zwane wykresy równowagi fazowej. W układzie współrzędnych zależności p(T) sporządza się trzy wykresy:

1. krzywą zależności pomiędzy ciśnieniem a temperaturą topnienia;
2. krzywą zależności ciśnienia gazu nad powierzchnią cieczy od temperatury;
3. krzywą zależności ciśnienia gazu nad powierzchnią ciała stałego od temperatury.

Wszystkie punkty które leżą na tych krzywych opisują stan równowagi fazowej. Oznacza to, że w tak określonym ciśnieniu i temperaturze ciało może się znajdować w dwóch fazach. Punkt przecięcia się trzech krzywych wskazuje na stan równowagi trzech faz. Jest to tak zwany punkt potrójny. W punkcie potrójnym jednocześnie może występować gaz, ciecz i ciało stałe.

Taki diagram fazowy wygląda schematycznie następująco:

Punkt potrójny wody

Punkt potrójny wody to punkt, określony przez parametr ciśnienia i temperatury, w którym woda może występować w stanie pary wodnej, lodu i wody jednocześnie.

Woda w stanie ciekłym, lód i para wodna są w równowadze termodynamicznej (punkt potrójny wody) w temperaturze T=0,01 °C (273,16 K) i ciśnieniu p=611,66 Pa. Temperatura punktu potrójnego wody wyznaczana przy swobodnym dostępie powietrza atmosferycznego wynosi 0 °C.

Ciekawostki

Punkt potrójny wody został użyty przy definiowaniu bezwzględnej jednostki temperatury - 273,16 K (kelwina).

Wykresy równowagi fazowej można sporządzić dla dowolnego ciała i nie zawsze dotyczy on tylko wspomnianych stanów skupienia. Można także sporządzać wykres równowagi fazowej dla różnych faz stanu stałego, dla przykładu diamentu i grafitu.

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.

© medianauka.pl, 2021-05-01, A-4044