Změny skupenství látek

• 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.

• Průběh tání krystalických látek

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

lt​=mLt​​

• 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

• 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

ls​=mLs​​

• m – hmotnost, Ls – skupenské teplo sublimace
• ls =[J·kg-1], Ls=[J]

Sublimační křivka

• Sublimační křivka – závislost teploty tání na vnějším tlaku

• 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

lv​=mLv​​

• 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

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

• Křivka 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
• Zobrazením 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.

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 (%)

φ=100⋅Mm​ %

φ=100⋅Φn​Φ​ %

Φ=Vm​

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.