- Skupenství je konkrétní forma látky, charakterizovaná především uspořádáním částic v látce a projevující se typickými vlastnostmi
- Pro označení skupenství se používá pojem fáze, který je však obecnější než skupenství
- Látka může existovat za různých tlaků a teplot v jednom skupenství, ale různých fázích, lišících se např. krystalovou stavbou
Fáze
Pevná látka
- Vyznačuje se pevným, často pravidelným uspořádáním částic
- Těleso z pevné látky drží svůj tvar, i když není uzavřeno do nějaké nádoby
- Podle uspořádání částic se pevné látky dělí na dvě skupiny
- krystalické
- amorfní
Kapalina
- částice jsou relativně blízko sebe, ale nejsou vázány v pevných polohách a mohou se pohybovat v celém objemu
- Kapaliny jsou těžko stlačitelné, nemají svůj tvar, mají vlastní objem, mají volný povrch, tvoří kapky
Plyn
- částice jsou relativně daleko od sebe, pohybují se v celém objemu a působí na sebe pouze při vzájemných srážkách
- Plyny jsou stlačitelné, nemají svůj tvar, objem ani volnou hladinu
Plazma
- Chemie nedokáže popsat chování látek v něm
- Z fyzikálního hlediska není jedno zda se jedná třeba o plazma vodíkové nebo heliové
- Zda se jedná o plazma můžeme rozhodnout podle z některých kolektivních procesů, např. společné specifické reakce na el.mag. pole
- 99 % veškeré viditelné hmoty ve vesmíru je ve skupenství plazmatu
- Soustava elektricky nabitých částic (iontů, volných elektronů) a neutrálních částic
- např. oheň, blesk, plazma hvězd
- další skupenství můžou být např. Kvark gluonové plazma, Bose-Einsteinův kondenzát, Supratekutá látka, Fermiho plyn
Tání a tuhnutí
Tání
- Přechod z pevné látky na kapalinu
- Aby pevná látka začala tát, musíme ji zahřát na teplotu tání
- Aby tato látka roztála, je třeba ji dodat skupenské teplo tání
- Krystalické látky tají při jedné určité hodnotě teploty tání
- Amorfní látka přechází do kapalného skupenství spojitě v určitém intervalu teplot, nemá přesně daný bod tání, ale při zvyšování teploty postupně měkne. U amorfních látek tedy nelze určit přesnou hranici mezi tím, kdy je látka ve skupenství pevném, a kdy je ve skupenství kapalném
Tuhnutí
- Skupenská přeměna, při které se kapalina mění na pevnou látku
- K tuhnutí dochází při ochlazení kapaliny na teplotu tuhnutí, velikost teploty tuhnutí je pro krystalické látky stejná jako teplota tání
- Teplota tání závisí na druhu látky a na vnějším tlaku
- Pokus:
- Regelace ledu – (znovuzmrznutí) označuje tání ledu v důsledku působení vnějšího tlaku a nové zmrazení vzniklé vody po odstranění tlaku. Regelační jev objevil M. Faraday v roce 1850.
obrázek vynechán
- Průběh tání krystalických látek
obrázek vynechán
Měrné skupenské teplo tání a tuhnutí
- Měrné skupenské teplo tuhnutí je teplo, které odevzdá 1 kilogram kapaliny, jestliže se za teploty tuhnutí celý přemění na pevnou látku téže teploty
obrázek vynechán
- Hodnota měrného skupenského tepla tuhnutí je u krystalických látek pro danou látku stejná jako hodnota měrného skupenského tepla tání
- lt =[J·kg-1], m – hmotnost, Lt – skupenské teplo tání
Křivka tání
- Křivka tání – závislost teploty tání na vnějším tlaku
a) olovo b) led
obrázek vynechán
obrázek vynechán
- A – trojný bod – rovnovážný stav pevné látky, kapaliny a syté páry (např. voda TA=273,16K, pA=0,61kPa)
Sublimace a desublimace
- Sublimace – přeměna pevné látky na plyn aniž by došlo k tání
- Desublimace – plyn se mění přímo na pevnou látku
- Při sublimaci je napětí nasycených par nad pevnou fází vždy nižší než jejich napětí nad kapalnou fází
- Za normálního tlaku sublimují např. tyto látky: jód, led, naftalín, salmiak aj. Při dostatečně nízkém tlaku může sublimovat většina látek. Schopnost látky sublimovat zjistíme z jejího fázového diagramu
Měrné skupenské teplo sublimace
-
Měrné skupenské teplo sublimace je teplo, které přijme 1 kilogram pevné látky při sublimaci
obrázek vynechán -
m – hmotnost, Ls – skupenské teplo sublimace
-
ls =[J·kg-1], Ls=[J]
Sublimační křivka
- Sublimační křivka – závislost teploty tání na vnějším tlaku
obrázek vynechán
- A - trojný bod
Vypařování a var
Vypařování
- Dochází k přeměně kapaliny na plyn z volného povrchu kapaliny
- Kapalina při vypařování odebírá teplo z okolí
- Rychlost vypařování závisí na teplotě, velikosti povrchu
- Kapaliny se vypařují za jakékoliv teploty
Var
- Dochází k přeměně kapaliny na plyn v celém objemu
- K varu dochází při zahřátí kapaliny na teplotu varu, teplota varu je různá pro různé kapaliny
- Její velikost závisí také na tlaku nad kapalinou. S rostoucím tlakem stoupá teplota varu – toho se využívá u tlakového (Papinova) hrnce
Kapalnění (kondenzace)
- Skupenská přeměna, kdy se mění plyn na kapalinu
- Ke zkapalňování nasycené páry dochází k snížením její teploty nebo zvýšením tlaku
- Při zkapalňování se uvolňuje skupenské teplo kondenzační, jehož hodnota je rovna skupenskému teplu vypařování
- Při snižování objemu se přehřátá pára mění v nasycenou a začíná kondenzovat na tzv. kondenzačních jádrech
- Kondenzační jádra mohou být částice prachu, ionty apod.
- Pokud pára kondenzuje na kondenzačních jádrech, je kapalina v páře dispergována (rozptýlena) jako mlha, nasycená pára je pak s kapalinou v rovnováze
- Směs nasycené páry a kapalinové mlhy se nazývá mokrou parou
Měrné skupenské teplo vypařování a varu
- Měrné skupenské teplo vypařování je třeba určit ke každé teplotě zvlášť (vypařování může probíhat za libovolné teploty), zatímco měrné skupenské teplo varu se určuje k teplotě varu
obrázek vynechán
- Měrné skupenské teplo varu je teplo, které přijme 1 kilogram kapaliny, jestliže se za teploty varu celý přemění na plyn téže teploty
- lv =[J·kg-1], m – hmotnost, Lv – skupenské teplo varu
Měrné skupenské teplo kapalnění
- Kapalnění neboli kondenzace páry je děj obrácený k vypařování
- Měrné skupenské teplo kondenzace má stejnou hodnotu jako lv a stejně se i označuje.
Sytá a přehřátá pára
Sytá pára
- Pára, která je v termodynamické rovnováze s kapalinou o stejné teplotě a tlaku
- Při této rovnováze je vypařená látka nahrazena zkondenzovanou
- Vypařuje-li se kapalina (dostatečného objemu) v uzavřené nádobě, přestane se po určité době objem kapaliny zmenšovat a objem páry zvětšovat, počet molekul opouštějících hladinu je roven počtu molekul, které se do kapaliny vrací
obrázek vynechán
Přehřátá pára
- Má nižší tlak a hustotu, než sytá pára téže teploty
- Přehřátá pára může vznikat dvěma způsoby:
- zahříváním syté páry bez přítomnosti kapaliny při konstantním tlaku
- zvětšováním objemu syté páry bez přítomnosti kapaliny při konstantní teplotě
- Přehřátá pára se svými vlastnostmi blíží spíše vlastnostem plynů, a to tím více, čím více se její stav liší od stavu syté páry
- Pro přehřáté páry, jejichž stav je daleko od stavu sytých par platí přibližně stavová rovnice ideálního plynu
- Přehřátá pára je pára, která má nižší tlak a hustotu než sytá pára téže teploty
Křivka syté páry
- obrázek vynechánKřivka syté páry – závislost teploty vypařování na vnějším tlaku
K – kritický bod (zmizí rozhraní mezi kapalinou a párou)
A – trojný bod
Kritický bod látky
- Kritický bod je bod na fázovém diagramu, který zakončuje křivku vypařování (bod K na obrázku)
- Tento bod určuje kritický stav látky, stavové veličiny pk, Tk a Vk v tomto bodě se nazývají kritický tlak, kritická teplota a kritický objem
- V kritickém stavu mizí rozdíl mezi kapalinou a její párou, při teplotě vyšší než kritická teplota Tk nemůže látka existovat v kapalném skupenství
- Plyn, který má teplotu vyšší než je kritická teplota, nelze žádným stlačováním zkapalnit
- V oblasti sycení dochází k vypařování kapaliny (popř. kapalnění par). Nad kritickým bodem K však již oblast sycení neexistuje a k fázové změně tam tedy nemůže dojít
- obrázek vynechánZobrazením izoterm v p-V diagramu (viz obrázek) je vidět, že v oblasti sycení (označeno barevně) dochází k vypařování kapaliny (popř. kapalnění par). Nad kritickým bodem K však již oblast sycení neexistuje a k fázové změně tam tedy nemůže dojít. Izoterma k, která prochází kritickým bodem K, je kritickou izotermou. Při vyšších teplotách, tzv. nadkritických, již izotermy neprochází oblastí sycení a nelze provést zkapalnění a látka existuje pouze v plynné fázi.
obrázek vynechán
Fázový diagram
- s - sublimační křivka
- p - křivka syté páry
- t - křivka tání
- I - pevná látka
- II - kapalina
- III - přehřátá pára (má nižší tlak a hustotu než sytá pára též teploty)
- IV - plyn
- A - trojný bod - rovnovážný stav pevné látky, kapaliny a syté páry (např. voda TA=273,16K, pA=0,61kPa)
- libovolný bod roviny - stav látky za dané teploty a tlaku
Vlhkost vzduchu
- Udává množství vodní páry obsažené v daném množství vzduchu
- Z pohledu meteorologie a klimatologie má množství vodních par zásadní význam, protože je od něho odvislé počasí a podnebí
Absolutní vlhkost vzduchu
- Vyjadřuje hmotnost vodní páry obsažené v jednotce objemu vzduchu. V meteorologii se vyjadřuje nejčastěji v gramech vodní páry na metr krychlový vzduchu
Relativní vlhkost vzduchu
-
Udává poměr mezi okamžitým množstvím vodních par ve vzduchu a množstvím par, které by měl vzduch o stejném tlaku a teplotě při plném nasycení. Udává se v procentech (%)
obrázek vynechán obrázek vynechán obrázek vynechán
Φn – absolutní vlhkost vzduchu, m – hmotnost vodní páry, která je ve vzduchu obsažena,
M – hmotnost páry při nasycení
Vlhkoměr
- měřicí přístroj ukazující relativní vlhkost vzduchu nebo jiné látky. Klasická konstrukce vlhkoměru je založena na hygroskopických vlastnostech lidských vlasů.
obrázek vynechán