🧊 Změny skupenství

Koloběh

O čem to je

Led v nápoji taje, louže na slunci zmizí, ráno je na trávě rosa a v zimě na oknech jinovatka. Voda pořád mění podobu: pevnou, kapalnou, plynnou.

Pochopíš, proč se při tání nemění teplota, proč tě chladí pot, proč se v tlakovém hrnci vaří rychleji a proč na horách trvá uvaření vajíčka déle.

Nové pojmy

SkupenstvíPodoba látky: pevné (drží tvar), kapalné (teče, drží objem), plynné (vyplní celou nádobu).
Změna skupenstvíPřechod látky z jednoho skupenství do jiného.Tání: pevné → kapalné. Tuhnutí: kapalné → pevné.
Vypařování a varVypařování = kapalina se mění v plyn na povrchu, při jakékoli teplotě. Var = pára vzniká v celém objemu (bubliny), jen při teplotě varu.Prádlo na šňůře schne vypařováním, voda v hrnci vře při 100 °C.
Kondenzace (kapalnění)Plyn se mění v kapalinu.Rosa, orosená sklenice ledové limonády.
Sublimace a desublimaceSublimace: pevné → rovnou plynné. Desublimace: plynné → rovnou pevné.Suchý led (pevný CO₂) sublimuje. Jinovatka vzniká desublimací vodní páry.

Sleduj koloběh skupenství vody. U každého kroku si vzpomeň na příklad z domova.

  1. tání (pevné → kapalné)
  2. vypařování (kapalné → plynné)
  3. kondenzace (plynné → kapalné)
  4. tuhnutí (kapalné → pevné)

Proč teplota stojí

Dej led z mrazáku do hrnce a zahřívej. Teploměr ukazuje: −10 °C, −5 °C, 0 °C… a pak dlouho 0 °C, dokud neroztaje všechen led. Teprve potom teplota stoupá dál. U 100 °C se to opakuje – teplota stojí, dokud se nevyvaří všechna voda.

Kam jde dodávané teplo? Na rozbití vazeb mezi částicemi. Částice se nezrychlují (teplota neroste), ale vzdalují se od sebe. Vnitřní energie roste, i když teplota stojí.

Skupenské teplo LTeplo potřebné ke změně skupenství tělesa za stálé teploty. L = m · l, kde l je měrné skupenské teplo (kolik J na 1 kg).Roztát 1 kg ledu 0 °C stojí 334 kJ.
Kolik tepla potřebuješ na roztátí 0,5 kg ledu 0 °C (l = 334 kJ/kg)?
L = m · l = 0,5 · 334 = 167 kJ.
Proč tě chladí pot?
Pot se z kůže vypařuje. Na vypaření potřebuje skupenské teplo – a bere ho z tvé kůže. Kůže tím ztrácí energii a chladne.

Var a tlak

Teplota varu závisí na tlaku nad kapalinou. Vyšší tlak = vyšší teplota varu. V tlakovém (Papinově) hrnci vře voda asi při 120 °C, jídlo se uvaří rychleji. Na horách je tlak nižší a voda vře pod 100 °C – na Sněžce asi při 95 °C.

✗Když přidám plamen pod vařící vodu, bude mít víc než 100 °C.
✓Vařící voda (při normálním tlaku) má stále 100 °C, jen se rychleji vyvařuje.

Dodané teplo jde na přeměnu vody v páru, ne na zvýšení teploty. Teplotu varu zvýší jen vyšší tlak.

Při změně skupenství stojí teplota, teplo jde na rozrušení vazeb: L = m·l. Vypařování ochlazuje. Vyšší tlak = vyšší teplota varu.

Výpočty a diagram

O čem to je

Kolik plynu spotřebuje kotel, aby z ledu udělal páru? Proč se kovy dají odlévat při přesné teplotě a sklo měkne postupně? Při jakém tlaku může voda existovat ve všech třech podobách najednou? Odpovědi dá pár vztahů a jeden graf.

Nové pojmy

Skupenství a jejich změnyPevné ↔ kapalné: tání / tuhnutí. Kapalné ↔ plynné: vypařování, var / kondenzace. Pevné ↔ plynné: sublimace / desublimace.
Měrná tepelná kapacita cTeplo na ohřátí 1 kg látky o 1 K. Ohřátí bez změny skupenství: Q = m · c · Δt.
Měrné skupenské teplo lTeplo na změnu skupenství 1 kg látky při stálé teplotě (J/kg). Celkové skupenské teplo L = m · l.
Krystalická a amorfní látkaKrystalická má částice v pravidelné mřížce a taje při přesné teplotě tání (led, kovy). Amorfní má částice neuspořádané a při ohřevu postupně měkne (sklo, vosk, asfalt).

Hodnoty pro vodu

Děj (voda)Měrné skupenské teplo
tání ledu při 0 °C334 kJ/kg
vypařování při 100 °C2 260 kJ/kg

Porovnej: ohřát 1 kg vody z 0 °C na 100 °C stojí 420 kJ. Ale vypařit ji stojí 2 260 kJ – víc než pětkrát tolik.

Postup pro více kroků

Rozděl děj na úseky: ohřev – změna skupenství – ohřev…
Na ohřev použij Q = m · c · Δt.
Na změnu skupenství použij L = m · l.
Všechna tepla sečti (pozor na stejné jednotky J nebo kJ).
Kolik tepla potřebuješ na ohřátí 1 kg vody z 0 °C na 100 °C a její úplné vypaření? (c = 4,2 kJ/(kg·K), l = 2 260 kJ/kg)
Ohřev: 1 · 4,2 · 100 = 420 kJ. Vypaření: 1 · 2 260 = 2 260 kJ. Celkem 2 680 kJ.
Kolik tepla roztaví 2 kg ledu 0 °C?
L = 2 · 334 = 668 kJ.

Fázový diagram

Fázový diagramGraf tlaku (svisle) proti teplotě (vodorovně), na kterém tři křivky oddělují oblasti pevné, kapalné a plynné látky: křivka tání, křivka syté páry (varu) a sublimační křivka.
Trojný bodJediný bod (tlak a teplota), kde se všechny tři křivky potkají. Látka tam může být ve všech třech skupenstvích současně v rovnováze.Voda: asi 0,01 °C a 611 Pa.

Z křivky varu je vidět, že s rostoucím tlakem roste teplota varu: v tlakovém hrnci vře voda nad 100 °C, na horách pod 100 °C.

✗Na ohřátí 1 kg vody na 100 °C a vypaření stačí Q = m · c · Δt = 420 kJ.
✓Musíš přičíst i skupenské teplo: 420 + 2 260 = 2 680 kJ.

Q = m·c·Δt platí jen tam, kde se mění teplota. Během varu se teplota nemění, a přesto se spotřebuje obrovské teplo.

Ohřev: Q = m·c·Δt. Změna skupenství: L = m·l, teplota stojí. Krystalické látky mají teplotu tání, amorfní měknou. V trojném bodě jsou v rovnováze všechna tři skupenství.
🚂Kruhový děj a tepelné motory🕰️Mechanické kmitání