Topnienie, krzepnięcie, parowanie, skraplanie

Wczesną wiosną, gdy temperatura powietrza przekracza nawet 10 stopni Celsjusza ciągle można spotkać na jeziorach czy rzekach lodowe kry. A przecież lód topnieje w zerze stopni Celsjusza. Dlaczego zatem nie topi się od razu po przekroczeniu tej temperatury? O tej i innych ciekawostkach związanych ze zmianą stanu skupienia ciał dowiesz się w tej lekcji. Jeśli jesteś już fanem pi-stacji może udało Ci się już trafić na film o właściwościach wody. Wyjaśniamy tam pokrótce na czym polegają zmiany jej stanu skupienia. W tej lekcji opowiem Ci dokładniej o fizycznych podstawach takich zjawisk jak topnienie, krzepnięcie parowanie i skraplanie. Nie ograniczając się przy tym do wody. Dorzucimy parę uwag o wrzeniu. Gotowi? No to zaczynamy. Na pierwszy ogień niech idzie topnienie. A że najlepiej wyjaśnić rzeczy na przykładach, zróbmy doświadczenie. Potrzebny nam będzie lód i termometr. Wyjęty z zamrażalnika lód rozdrabniamy na miazgę na przykład blenderem i wsypujemy do naczynia. Do środka kruszonki wkładamy termometr i obserwujemy, co się dzieje. Widzimy, że temperatura lodu rośnie. Gdy osiąga zero stopni lód zaczyna się topić. I tu niespodzianka, lód topi się i topi coraz bardziej, a temperatura cały czas jest bliska zeru. Zaczyna rosnąć dopiero wtedy gdy cały lód stanie się wodą. Dlaczego tak się dzieje? Otóż lód jako ciało ma budowę krystaliczną. Tworzące go cząsteczki H2O są ułożone w sposób uporządkowany i nie mają za dużej swobody ruchu. Gdy jednak dostarczymy im energii zaczynają się przeciwko temu krystalicznemu porządkowi buntować. Najpierw słabo im idzie. Ale po osiągnięciu temperatury topnienia zaczynają rozrywać trzymające je wiązania. Taka ucieczka z kryształu wymaga oczywiście dostarczenia energii. I tu rzecz ważna! Energia ta jest zużywana w pierwszej kolejności na rozerwanie wiązań a dopiero potem na zmianę temperatury. To dlatego nasza lodowa kruszonka topi się choć jej temperatura wciąż wynosi zero stopni Celsjusza. Dopiero, gdy cała stanie się wodą a jej cząsteczki zyskają zupełnie nową swobodę ruchu temperatura cieczy zacznie się podnosić przy dalszym ogrzewaniu. Taka metamorfoza z ciała stałego w ciecz dotyczy rzecz jasna nie tylko lodu. Topią się tak też inne ciała o budowie krystalicznej, jak metale. Topią się też polimery i kompozyty. Ale to już temat na wyższy poziom edukacji. Odwrotny proces zachodzi gdy ciecz zmienia się w ciało stałe czyli krzepnie. Co się wtedy dzieje? Cząsteczki cieczy oddają energię otoczeniu i zaczynają poruszać się coraz wolniej. Po osiągnięciu temperatury krzepnięcia zaczynają zaś tworzyć kryształy albo inne struktury uporządkowane. Dopiero gdy cała substancja skrzepnie jej temperatura może się zacząć dalej obniżać. Jeśli oczywiście nadal będzie zachodzić proces oddawania energii otoczeniu. Podobnie jak ciało stałe może zmienić się w ciecz tak ciecz może stać się gazem. Ten proces też najprościej pokazać na przykładzie wody. Jeśli ustawimy na kuchence garnek z wodą to zaobserwujemy, że podczas ogrzewania nad jej powierzchnią zaczyna unosić się para. Początkowo ciecz zmienia się w gaz tylko na powierzchni. Mamy do czynienia ze zjawiskiem parowania. Parowanie zachodzi praktycznie w każdej temperaturze ale jest tym intensywniejsze im ta temperatura jest bliższa temperaturze wrzenia. Po osiągnięciu 100 stopni Celsjusza para tworzy się w całej objętości wody co my obserwujemy w postaci pęcherzyków. Zjawisko to nazywamy wrzeniem. Wrzenie to więc parowanie w całej objętości cieczy. Podczas wrzenia temperatura wody przestaje rosnąć dopóki cała ciecz nie zmieni się w parę. Temperatura, w której ciecz wrze nosi nazwę temperatury wrzenia. Ciepło dostarczone do cieczy w temperaturze wrzenia zostaje zużyte na odrywanie cząsteczek od cieczy i ich przejście w stan pary. W przypadku wody to ciepło musi być naprawdę duże bo cząsteczki wody są dipolami więc przyciągają się nawzajem i trudno te siły przyciągania rozerwać. Jeśli chcesz się dowiedzieć więcej o dipolach obejrzyj nasz film o nich na Pistacja Chemia. A co się stanie, gdy gaz zechce zmienić się w ciecz? Kiedy chuchniesz na zimną szybę pokrywa się ona parą. W rzeczywistości są to maleńkie kropelki wody. W powietrzu wydychanym z płuc znajduje się lotna para wodna która zamienia się w wodę w kontakcie z chłodnym szkłem. Podczas ochładzania drobiny gazu tracą energię przez co poruszają się coraz wolniej i trudniej im pokonać wzajemne przyciąganie. A co za tym idzie zbliżają się do siebie na taką odległość, że tworzą ciecz. Możesz to zaobserwować w postaci strużek wody spływających po szybie. To właśnie proces skraplania czyli zamiany gazu w ciecz. Zmiany stanu skupienia substancji noszą nazwę przemian fazowych. Zestawienie tych przemian widzisz na planszy. Przemiany fazowe zachodzą bez zmiany temperatury a cała dostarczona energia jest zużywana na zmianę stanu skupienia substancji. Temperatura, w której ciało zmienia stan skupienia nosi nazwę temperatury przemiany fazowej. Nawet jeśli do tej pory Twoje relacje z fizyką nie były idealne mam nadzieję, że tym filmem stopiliśmy lód w Twoim sercu i z nową pasją oddasz się oglądaniu innych filmów na pi-stacja.tv