Zmiany stanu skupienia ciał w przyrodzie, technice oraz naszym codziennym życiu
Zamarzanie jest to proces przechodzenia jakiejś substancji z cieczy w ciało stałe.
Bardzo zbliżonym procesem to zamarzania jest proces krzepnięcia, który zawsze odbywa się przy niskiej temperaturze.
Ciekłe żelazo krzepnie w temp. Prawie 1535oC , dlatego da się powiedzieć, iż w temp. tej metal ten "zamarza" ale w tym momencie "zamarznięty” nie oznacza dosłownie to samo co "zimny". Temp. zamarzania oraz wrzenia materiału uzależniona jest od ciśnienia. W związku z tym nawet jeżeli chodzi o wodę, pojęcia "zamarzania" oraz "wrzenia" nie muszą odnosić się do potocznie przypisywanych im znaczeń. H2O, np., jest w stanie wrzeć w temp. pokojowej, jeśli ciśnienie otoczenia w jakim akurat jest zostanie znacznie zmniejszone, a zatem "wrzący" nie znaczy w tym momencie to samo co "gorący". Nawet przy normalnym ciśnieniu kilkanaście substancji może wrzeć w niewielkiej temp. Zalicza się do nich substancje, o których na ogół mówimy że są gazami. Tlen oraz azot, np., stanowią główne składniki powietrza. Przyczyną dla której na ogół pojawiają w postaci gazu jest to, iż temp. ich wrzenia jest o wiele niższa niż 0 prawie -196oC jeżeli chodzi o azot oraz -183oC jeżeli chodzi o tlen .Nawet w najchłodniejszych rejonach na naszej planecie temp. jest większa niż temp. ich wrzenia oraz dlatego powszechnie pojawiają one w postaci ciał gazowych. Większa ilość substancji gdy przejdzie do stanu stałego posiada formę krystaliczną. Między innymi, chlorek sodu (sól kuchenna) tworzy kryształy o sześciennym kształcie.
Ciała stałe są w stanie wrócić do stanu ciekłego na skutek podgrzewania ich. Powoduje ono że zostaje zwiększona szybkość poruszania się cząsteczek. W momencie kiedy podgrzewamy ciało stałe jego zamiany w płyn substancja wchłania przekazywane jej ciepło , natomiast jej temp. będzie wzrastać. Ale w sytuacji topnienia temp. nie będzie rosła mimo ,iż substancja cały czas pochłania ciepło. Ciepło konieczne do tego by ciało się stopiło o jednostkowej masie (bez zmiany temp. ) nazywane jest ciepłem topnienia ciała. W momencie kiedy całe ciało zamieni się w ciało ciekłe, temp. znowu będzie wzrastać.
Jeśli ciekła substancja będzie cały czas podgrzewana jej temp. uzyska poziom wrzenia. Później ustali się oraz zostanie stała aż do sytuacji, kiedy cala substancja zamieni się w ciało gazowe. Ciepło jakie jest niezbędne , by w jakiejś temperaturze oraz pod zdefiniowanym ciśnieniem zmienić jednostkową masę ciała ciekłego w parę nazywamy ciepłem parowania. Gdy zamienimy w ciało gazowe temperatura substancji znowu będzie wzrastała jeśli będziemy oczywiście dostarczać do niej ciepło. Jeśli ciało gazowe nie będzie miało ciepła, jego temp. na początku będzie malała.
Później , kiedy uzyska ona poziom wrzenia, gaz będzie oddawał swe ciepło parowania oraz zamieni się w ciało ciekłe o identycznej temp. Kiedy już całe ciało ciekłe przejdzie w ciekły stan skupienia , temperatura substancji będzie maleć proporcjonalnie do liczby oddanego ciepła. Gdy będziemy dalej oziębiać ciało doprowadzi to do stopniowego obniżania temp. która w rezultacie uzyska poziom zamarzania . Wówczas ciało ciekłe będzie oddawać swe ciepło topnienia oraz w tej samej temp. będzie przechodziło w ciało stałe. Później kiedy już cały płyn zakrzepnie temp. substancji znowu będzie maleć. Większa część substancji będzie się rozszerzała w momencie podgrzewania, natomiast kurczyć się będzie w czasie ochładzania. Np. rtęć która znajduje się w termometrze, zwiększa swą objętość. Podnosi się ona, pokazując dzięki temu wzrost temp. jako, że rtęć zamarza w temp. - 39oC, nie może być ona przeznaczona do termometrów wykorzystywanych do pomiaru bardzo małych temp. Zasadniczo woda również powiększa swą objętość. Kiedy ją podgrzewamy, natomiast będzie ona maleć kiedy będziemy ją ochładzać. Ale kiedy będzie ona ochłodzona z temperaturą czterech stopni Celsjusza do temperatury zera stopni Celsjusza jej objętość będzie się zwiększać. W związku z tym rury wodociągowe niejednokrotnie podczas zimy pękają jako iż jest z w nich woda rozszerza się pod wpływem spadającej temp. Jako, że woda powiększa swą objętość podczas zamarzania, lód – który jest stałą formą wody - cechuje się mniejszą gęstością aniżeli woda kiedy jest cieczą. Mówiąc inaczej , lód waży mniej aniżeli ciekła woda o takiej samej objętości. W związku z tym w zimie powierzchnie stawów oraz jezior pokrywa się wypieraną do góry warstwą lodu. Niedaleko koła podbiegunowego zamarznięta woda tworzy góry lodowe, pewna ilość z nich uzyska ogromne kształty.
Parowanie nazywamy procesem fizycznym, który polega na przechodzeniu ciała ciekłego w ciało gazowe. Energia jaka jest dostarczana do ciała ciekłego pokonuje siły przyciągania pomiędzy cząstkami . W czasie ogrzewania ciała ciekłego jej drobiny - w miarę jak rośnie ich średnia energia - przemieszczają się coraz prędzej oraz oddalają się od siebie. We wszystkich temperaturach pewna ilość drobin ciała ciekłego posiada wystarczającą energię, na pokonanie sił przyciągania oraz może się oderwać od powierzchni, tworząc ciało gazowe - mówimy wówczas, iż ciało ciekłe paruje.
Wielkość parowania wyrażana jest w mm grubości wody, która wyparowuje w jednostce czasu, uzależniona jest ona od: temperatury otoczenia oraz ciała które paruje, wilgotności powietrza, szybkości jego ruchu oraz ciśnienia atmosferycznego.
Wzrost temperatury oraz szybkości prędkości wiatru wzmaga parowanie, za to wilgotne otoczenie oraz wysokie ciśnienie osłabiają je.
Szybkość parowania uzyska wartość największą w próżni. Parowanie w całej objętości ciała ciekłego definiowane jest jako wrzenie. Do pomiaru parowania stosuje się ewaporometry. Proces przeciwny do parowania to kondensacja.
Parowanie jest to jeden z fragmentów cyklu hydrologicznego. Np. w momencie kiedy pozostawimy miseczkę wypełnioną wodą na stoliku na parę godzin albo dni zauważymy ,iż po tym upływie czasu nie będzie już w niej żadnej substancji, co będzie dowodem na to że woda wyparowała.
Prędkość parowania ciała ciekłego z jednostki powierzchni zdefiniowana jest następującym wyrażeniem:
v=(2mkT)-1/2(p0-p),
gdzie: m - masa molowa płynu, k - stała Boltzmanna , T - temperatura
Z parowaniem możemy się spotkać na co dzień, warto zatem zdawać sobie sprawę np. iż przeciętna liczba płynu, jaką wyparowuje drzewo w czasie letniego dnia równa jest od 100 do 450 litrów. Ogromny klon srebrzysty jest w stanie utracić nawet trzysta litrów H2O w czasie 1 godziny w słoneczne, upalne popołudnie. Jeżeli ta liczba H2O nie będzie uzupełniona przez system korzeniowy, liście drzewa będą więdnąć.
Następną ciekawą rzeczą jest ciekawostką to że na drodze tego zjawiska był słynny model parowania czarnych dziur. Klasyczna czarna dziura (zatem nie należy uwzględniać efektów kwantowych) tworzy się wtedy, kiedy proces zapadania się obiektu (na przykład masywnego ciała niebieskiego) doprowadza do odizolowania się tego obiektu od "reszty świata" oraz utworzenia się "horyzontu", czyli do takiego momentu, gdzie nawet promień światła emitowany na zewnątrz będzie z powrotem zawrócony przez pole grawitacyjne kolapsującego obiektu. Późniejszy los tego, co dzieje się pod horyzontem, zostaje nieznany dla zewnętrznego obserwatora. Hawking pokazał, iż jeśli uwzględnimy efekty kwantowe, to będzie istniało skończone prawdopodobieństwo, że jakaś cząsteczka będzie mogła znaleźć się na zewnątrz horyzontu. Czarna dziura utraci zatem masę. Obrazowo mówi się, iż czarna dziura będzie parowała.
Gwiazda IRC+10216 odparowuje H2O z lodowych ciał, które ją obiegają. To co ma miejsce na około niej, w przyszłości może zdarzyć się w Układzie Słonecznym.
Takie obserwacje dokonali naukowcy analizujący dane z satelity SWAS (Submillimeter Wave Astronomy Satellite). Dzięki satelicie mamy dowody na występowanie w innych układach gwiazdowych molekuł H2O, koniecznego składnika dla jakiejkolwiek znanej formy życia. Satelita od 2 lat oglądał molekuły H2O. Ale ostatnie wykrycie jest bardzo interesujące, ponieważ odnaleziona obłok który zawierał H2O na około ciała niebieskiego. Ciało niebieskie to, oznakowane jako IRC+10216, jest wiekowym olbrzymem który znajduje się pięćset lat świetlnych od nas w gwiazdozbiorze Lwa. Wytłumaczenie utworzenia się na około ciała niebieskiego takiego obłoku informuje nas, iż woda ta została odparowana z lodowych, zamrożonych ciał krążących na około ciała niebieskiego. W naszym układzie planetarnym także spotkać można takie zamrożone obiekty. Są to komety.
Proces odwrotny do opisanego powyżej nazywa się skraplaniem. Zatem jest to przechodzenie ciała gazowego w ciecz. Ochłodzone ciało gazowe oddaje energię, pomniejsza się szybkość cząsteczek ,siły przyciągania zbliżają cząstki. Proces skraplania pary wodnej jest w stanie zachodzić przez jej sprężanie izotermiczne, chłodzenie pod stałym ciśnieniem, rozprężanie. By para była w stanie się skroplić, powinny w niej pojawiać się ośrodki kondensacji w formie jonów, zawiesin albo pyłków, które wspomagają jej utrzymanie cząstek płynu w pierwszej fazie ich tworzenia się. W momencie kiedy jest braku ośrodków kondensacji tworzy się para przesycona. Skraplanie gazu jest w stanie pojawiać się tylko w temperaturze mniejszej niż jego temperatura krytyczna. Jeżeli temperatura gazu jest większa niż krytyczna, to trzeba go po sprężeniu ochłodzić. W technologii skraplania ciał gazowych przeprowadza się w układach z dławieniem, z rozprężarką wykonującą pracę zewnętrzną, i w układach mieszanych. Po raz pierwszy skraplania ciała gazowego (SO ) dokonali prawie 1780 roku Francuzi Jean Clouet oraz G. Monge, natomiast pełnego skroplenia tlenu oraz azotu dokonali w 1883 roku w Krakowie Z. Wróblewski oraz K. Olszewski. Na skalę techniczną powietrze zostało skropione po raz pierwszy przez C. Linde (1895) stosując układ z dławieniem. G. Claude oraz P. Heylandt polepszyli w 1902 roku ten system włączając w obieg rozprężarkę. W 1920 Heylandt uprościł przyrząd wykorzystując powietrze o ciśnieniu 150-100 lat oraz temperaturze otoczenia. W 1939 P.L. Kapica zrealizował system, gdzie wykorzystał do sprężania oraz rozprężania gazów układy wirnikowe. Przykłady to : Para wodna która znajduje się na szybach na skutek ciepła zamienia się w kropelki H2O . Szron na liściach zmienia się następnie w rosę.
Skroplenie tzw. gazów trwałych, np. tlenu - było przed laty prawdziwym wyzwaniem technicznym i sensacją. Wykonano to bardzo ciężkim sposobem kaskadowym. Gdy będziemy chłodzić sprężone pary łatwo skraplającego się ciała gazowego, a później szybko odparowując uzyskane ciało ciekłe - otrzymano spadek temperatury aż o parędziesiąt stopni. W tych warunkach skraplano następny, trudniej skraplający się czynnik gazowy. Po kilku takich żmudnych operacjach uzyskano temperaturę gdzie rozpoczął się skraplać mało lotny składnik powietrza - tlen. Tego dokonali w 1883 roku Olszewski oraz Wróblewski.
Aktualnie wykorzystywana jest tylko sposób rozprężania stosująca tzw. efekt Joula-Thomsona. Oczyszczone suche powietrze spręża się do ogromnego ciśnienia oraz uzyskany bardzo gorący, ogromnie sprężony gaz - chłodzi wodą. Powietrze jest później rozprężane przez zawór dławiący; występuje przy też duże obniżenie temperatury. Oziębiony rozprężony gaz przechodzi przez wymiennik ciepła chłodzi dzięki temu dopływający stale do zaworu dławiącego gaz pod ogromnym ciśnieniem. Na skutek następnych wymian ciepła temperatura rozprężanego powietrza cały czas będzie spadać, aż rozpoczyna się jego skraplanie... W praktyce wyrób azotu oraz tlenu odbywa się metodami ciągłymi, przez odbieranie konkretnych frakcji z kolumny rektyfikacyjnej która znajduje się za strefa rozprężania. Koszty wyrobu obejmują tylko cenę energii elektrycznej sprężarki i eksploatacji przyrządów oraz koszta administracyjne.
Skraplanie wodoru np. do instalacji która zasila kosmiczne maszyny startowe jest o wiele bardziej kłopotliwe, ponieważ wodór w normalnej temp. posiada odwrotny znak współczynnika Joula -Thomsona (w czasie rozprężania wodór się nagrzewa ale się nie chłodzi ) .Przed poddaniem wodoru rozprężaniu, trzeba go najpierw ogromnie ochłodzić metodami tradycyjnymi. To nie koniec problemów. Dopiero co skroplony wodór jest bardzo niestabilny na skutek dość szybkiej przemiany ortowodoru w parawodór. Co prawda ciepło tego egzotermicznego procesu jest małe, ale także niewielkie jest ciepło parowania ciekłego wodoru. W końcu , nawet przy dokładnej izolacji w czasie kilkunastu godzin samorzutnie oraz bez dopływu ciepła z zewnątrz, odparowuje na skutek tego prawie połowa skroplonej cieczy. W czasie skraplania wodoru wykorzystuje się paramagnetyczny katalizator który przyspiesza opisaną przemianę . Dzięki temu co prawda wydajność skraplania jest o wiele mniejsza, ale uzyskany ciekły wodór jest w stanie równowagi oraz jest o wiele bardziej stabilny. Kolejna interesującą kosmiczną ciekawostką jest to, że są spore oszczędności pojemników paliwa rakiety (w przypadku Space Shuttle jest to największy fragment zastawu startowego). Konstruuje się go z bardzo cieniutkiej blachy - tak cieniutkiej, iż załamałaby się w czasie przeciążeń startowych. Pojemnik jest cały czas otwarty , ponieważ skroplony wodór cały czas w nim wrze. Kilka sekund przed startem zamyka się zawór wylotowy, ponieważ ciśnienie wewnątrz usztywnia rośnie, konstrukcje się je tak samo jak zamkniętą puszkę z piwem
Następne zjawisko to proces przejścia substancji z ciała stałego w stan gazowy z pominięciem fazy ciekłej. Sublimacja jest to rodzaj parowania oraz może zachodzić w całym zakresie temperatur oraz ciśnień gdzie dana substancja jest w stanie współistnieć w stanie stałym oraz gazowym (na ogół jest to temperatura oraz ciśnienie mniejsze niż punkt potrójny, natomiast w temperaturze mniejszej niż temperatura topnienia oraz temperatury punktu potrójnego przy jakimkolwiek ciśnieniu). Zjawisko to można zauważyć w czasie zimy, kiedy po opadach śniegu dochodzi parę dni ładnej oraz mroźnej pogody. Wyraźnie zauważyć można wtedy postępujące za każdym dniem ubywanie cienkich warstw śniegu oraz lodu. Znane są substancje, które sublimują o wiele lepiej aniżeli lód, są nimi na przykład jod, suchy lód (stały dwutlenek węgla) albo naftalen (naftalina - kuleczki na mole).
Na prędkość sublimacji na wpływ temperatura i różnica ciśnienia pary nasyconej oraz pary niedaleko fazy stałej. Szybkość sublimacji jest na ogół mała, dzieje się tak ze względu na małą temperaturę oraz niewielką prężność pary nasyconej dla kilku substancji, w dodatku szybkość.
sublimacji ograniczona jest przez skażenia powierzchni fazy stałej.
Specjalne efekty sceniczne uzyskuje się przy pomocy sublimacji stałego dwutlenku węgla.
Sublimacja wody (lodu) pojawia się w naszym otoczeniu kiedy chłodne (o temperaturze mniejszej od 0oC) oraz suche powietrze które przepływa nad wodą w stanie stałym (lodem, śniegiem, szronem) sprawia że woda przechodzi w gaz.
Dwutlenek węgla posiada ciśnienie punktu potrójnego o wiele większe niż ciśnienie atmosferyczne, w związku z tym zostawienie zestalonego dwutlenku węgla (suchy lód) na powietrzu sprawi że dojdzie do jego sublimacji (lód zaniknie a nie topi się).
Kamfora jest substancją, która posiada ogromną prędkość sublimacji w temperaturze pokojowej w związku z tym zostało utworzone powiedzenie "Znikł jak kamfora".
Sublimację wykorzystuje się w technologii szeroko do czyszczenia substancji stałych, albo uzyskiwania substancji w formie niewielkich kryształów (np. siarka sublimowana nazywana kwiatem siarczanowym).
Procesem odwrotnym do powyżej przytaczanego jest resublimacja, zatem bezpośrednie przeistaczanie się substancji z gazu w stały z pominięciem stanu ciekłego.
Towarzyszy jej wydzielanie ciepła. Może ono zachodzić z całym przedziale temp. oraz ciśnienia, gdzie współistnieją faza ciekła oraz gazowa jakiejś substancji. Dochodzi na skutek oziębiania pary substancji.
Resublimacja, w złączeniu z sublimacją albo parowaniem, jest stosowana do czyszczenia albo rozdzielania substancji, do uzyskiwania substancji w formie niewielkich kryształów.
AnaMarie83