Więcej o przejściach fazowych

Zapewne zauważyłeś, że woda zmienia swój stan skupienia — kostki lodu roztapiają się w napoju, gotująca woda zamienia się w parę, a para osadza się jako w lód w zamrażarce. Zmiany stanu skupienia: topienie, krzepnięcie, parowanie, skraplanie, sublimacja i resublimacja, są znane jako przemiany fazowe. Nie tylko woda podlega przemianom fazowym. W odpowiednich warunkach cała materia może zmienić stan skupienia! Pomyśl o maśle topiącym się na gorącej grzance, o lawie zamieniającej się w litą skałę, lub o osadzaniu się sadzy w kominie.

Wiele przedmiotów plastikowych, metalowych i szklanych jest również wytwarzanych poprzez przemiany fazowe. Aby wytworzyć te przedmioty, musimy wiedzieć, kiedy nastąpi przemiana fazowa, i móc ją kontrolować. Jak? Stan skupienia substancji zależy od ilości zawartej w niej energii. Jeśli chcesz, aby substancja zmieniła swój stan skupienia, musisz dodać lub usunąć energię.

Jednym ze sposobów na to jest zmiana temperatury substancji. Weźmy na przykład świecę. Kiedy świeca się pali, jej temperatura wzrasta. Energia w postaci ciepła jest przenoszona z płonącego knota do wosku. Ciepło to zamienia się w energię ruchu w cząsteczkach wosku.

Cząsteczki zyskują energię kinetyczną. Cząsteczki zaczynają poruszać się coraz szybciej, wiązania między nimi zostają zerwane, a cząstki oddalają się od siebie. Wosk topnieje. Kiedy zdmuchniesz świeczkę, płomień gaśnie a temperatura spada. Z wosku odprowadzane jest ciepło.

Cząstki wytracają energię kinetyczną i zwalniają. Dzięki temu cząsteczki łatwiej pozostają bliżej siebie i tworzą stałe struktury. Wosk zamienia się z powrotem w ciało stałe. Gdy dodajemy lub usuwamy ciepło, temperatura wzrasta lub spada aż osiągnie punkt, w którym następuje przemiana fazowa. Podczas przemiany fazowej energia jest używana do zmiany stanu skupienia substancji, zamiast do zmiany temperatury.

Temperatura pozostaje taka sama, a substancja istnieje w dwóch różnych stanach skupienia jednocześnie aż do zakończenia przemiany fazowej. Istnieją dwa różne punkty w których zachodzą przemiany fazowe. W jednym substancja istnieje zarówno w postaci stałej, jak i płynnej, co dzieje się podczas topienia lub krzepnięcia. To jest temperatura topnienia. W drugim przemiana substancji zachodzi pomiędzy cieczą a gazem — podczas parowania lub skraplania.

To jest punkt wrzenia. Każda substancja potrzebuje innej ilości energii by przejść z jednego stanu do drugiego, więc różne substancje mają różne temperatury topnienia, i różne temperatury wrzenia. Innym sposobem na zmianę ilości energii w substancji jest zmiana ciśnienia. W wysokim ciśnieniu, cząsteczki są ściśnięte razem i zmuszone do przebywania blisko siebie. Rozbicie struktury lub rozsunięcie cząstek wymaga więcej energii.

W przypadku większości substancji im wyższe ciśnienie, tym wyższa będzie temperatura topnienia i wrzenia. Jedynym wyjątkiem jest woda — w wysokim ciśnieniu, lód topi się raczej w niższej niż wyższej temperaturze. W niskim ciśnieniu, cząsteczki mogą łatwo oddalać się od siebie. Oznacza to, że do stopienia lub odparowania substancji potrzeba mniej energii, więc temperatury topnienia i wrzenia są niższe. Tak więc, dostosowując temperaturę i ciśnienie, możemy zmienić energię substancji, i kontrolować przemiany fazowe — w różnych substancjach, nie tylko w wodzie!