Zmiany stanu skupienia

Zapamiętaj

Topnienie i krzepnięcie są przemianami przeciwnymi, podobnie jak parowanie i skraplanie oraz sublimacja i resublimacja.

Parowanie może zachodzić w różnych temperaturach, natomiast wrzenie zachodzi w całej objętości cieczy i rozpoczyna się w określonej temperaturze zależnej od ciśnienia.

Na krzywej równowagi fazowej dwie fazy substancji mogą współistnieć w równowadze.

W punkcie potrójnym trzy fazy danej substancji współistnieją w równowadze termodynamicznej.

Materia może występować w różnych stanach skupienia. Do najbardziej znanych należą:

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

Pojęcie fazy jest bardziej precyzyjne niż pojęcie stanu skupienia. W tym samym stanie skupienia mogą występować różne fazy materii.

Na co dzień najczęściej spotykamy się z pierwszymi trzema stanami skupienia materii. Plazma jest natomiast bardzo rozpowszechniona we Wszechświecie – w tej postaci występuje między innymi materia tworząca gwiazdy.

Stan skupienia substancji zależy przede wszystkim od temperatury i ciśnienia oraz od charakteru oddziaływań między jej cząstkami. Zwiększanie temperatury powoduje zwykle wzrost intensywności ruchu cieplnego cząstek i może prowadzić do zmiany stanu skupienia. Zmiana stanu skupienia jest jednym z rodzajów przejścia fazowego.

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 gazowego,
skraplanie - przejście ze stanu gazowego do ciekłego,
sublimacja - przejście ze stanu stałego do gazowego,
resublimacja - przejście ze stanu gazowego od razu do stałego, z pominięciem fazy ciekłej.

Powyższe zmiany stanu skupienia zostały ujęte na schemacie.

Topnienie i krzepnięcie substancji krystalicznej przy określonym ciśnieniu zachodzą w tej samej temperaturze. Parowanie może zachodzić z powierzchni cieczy w różnych temperaturach. Szczególnym rodzajem parowania jest wrzenie, które zachodzi w całej objętości cieczy. Dla czystej substancji przy określonym ciśnieniu wrzenie rozpoczyna się w określonej temperaturze, nazywanej temperaturą wrzenia.

Wrzenie rozpoczyna się wtedy, gdy ciśnienie pary nasyconej cieczy zrówna się z ciśnieniem działającym na jej powierzchnię.

Zmiany stanu skupienia wody

Przy ciśnieniu atmosferycznym \(p=1\ \text{atm}=101\,325\ \text{Pa}\) lód topi się w temperaturze około \(0^\circ\text{C}\), natomiast woda wrze w temperaturze około \(100^\circ\text{C}\).

Wykres równowagi fazowej

Dla czystej substancji jej trwała faza zależy między innymi od temperatury i ciśnienia. Zależność tę przedstawia diagram fazowy, na którym na jednej osi zaznacza się temperaturę \(T\), a na drugiej ciśnienie \(p\).

Na prostym diagramie obejmującym fazę stałą, ciekłą i gazową występują trzy krzywe równowagi:

krzywa topnienia – rozdzielająca obszar fazy stałej i ciekłej,
krzywa parowania – rozdzielająca obszar fazy ciekłej i gazowej,
krzywa sublimacji – rozdzielająca obszar fazy stałej i gazowej.

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.

Punkt potrójny to punkt diagramu fazowego odpowiadający takiej temperaturze i ciśnieniu, przy których trzy fazy danej substancji współistnieją w równowadze termodynamicznej.

Taki diagram fazowy wygląda schematycznie następująco:

diagram fazowy, wykres równowagi fazowej

Punkt potrójny wody

W punkcie potrójnym wody lód, ciekła woda i para wodna pozostają jednocześnie w równowadze termodynamicznej.

Punkt ten odpowiada temperaturze około \(T=0{,}01^\circ\text{C}=273{,}16\ \text{K}\) oraz ciśnieniu około \(p=611{,}66\ \text{Pa}\).

Ciekawostki

Przez wiele lat punkt potrójny wody odgrywał szczególną rolę w definicji kelwina. Obecnie kelwin jest definiowany na podstawie ustalonej wartości stałej Boltzmanna.

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.

Pytania

Czy w górach woda wrze w niższej temperaturze?

Tak. Wraz ze spadkiem ciśnienia atmosferycznego obniża się temperatura wrzenia wody. Dlatego wysoko w górach woda może wrzeć w temperaturze niższej niż \(100^\circ\text{C}\).

Czy węgiel może występować w fazie ciekłej?

Tak, ale wymaga to odpowiednio wysokiej temperatury i ciśnienia. Przy ciśnieniu atmosferycznym węgiel nie przechodzi typowo przez fazę ciekłą podczas ogrzewania, lecz ulega sublimacji.

Czy diagram fazowy zawsze ma trzy krzywe?

Nie. Prosty diagram przedstawiający fazę stałą, ciekłą i gazową ma trzy podstawowe krzywe równowagi. Jeżeli substancja może występować w większej liczbie faz, na przykład w różnych odmianach fazy stałej, diagram może zawierać dodatkowe obszary fazowe i dodatkowe linie równowagi.

Czy wszystkie substancje mają punkt potrójny?

Nie. Punkt potrójny występuje wtedy, gdy istnieją warunki, w których trzy różne fazy danej substancji mogą pozostawać jednocześnie w równowadze.

Dodatkowe materiały edukacyjne

Przemiany fazowe wody — wykres równowagi fazowej p–T. Przeciągnij punkt stanu po wykresie (lub użyj suwaków), aby zobaczyć, w jakim stanie skupienia znajduje się woda przy danym ciśnieniu i temperaturze. Model cząsteczkowy pokazuje poglądowo zachowanie cząsteczek w danej fazie.

Symulacja