2.2 Agregacijska stanja

Prijelazi kroz agregacijska stanja

Prijelaz tvari kroz agregacijska stanja pod određenim uvjetima moguć je u svim smjerovima. Prijelaz iz tekućeg agregacijskog stanja u plinovito naziva se isparavanje, iz plinovitog u tekuće kondenzacija, iz čvrstog u tekuće taljenje, iz tekućeg u čvrsto kristalizacija, iz čvrstog u plinovito sublimacija, a iz plinovitog u čvrsto resublimacija.

Promjene agregacijskih stanja tvari proučit ćemo na primjeru prijelaza vode kroz sva tri agregacijska stanja pri atmosferskom tlaku.  

Temperatura pri kojoj voda prelazi iz čvrstog agregacijskog stanja u tekuće, odnosno temperatura pri kojoj se led pretvara u vodu naziva se temperatura tališta.

Temperatura pri kojoj voda prelazi iz tekućeg agregacijskog stanja u plinovito, odnosno temperatura pri kojoj se voda pretvara u vodenu paru naziva se temperatura vrelišta.

Kao što je ranije spomenuto, temperatura tališta vode pri atmosferskom tlaku iznosi $0\mathrm{°}\mathrm{C},$ a temperatura vrelišta vode pri atmosferskom tlaku iznosi $100\mathrm{°}\mathrm{C}.$

Osobito je važan tlak pri kojemu dolazi do promjene agregacijskih stanja. Promjenom tlaka promijenit će se i temperatura tališta, odnosno temperatura vrelišta.

Postoje tvari koje se prijelazom iz tekućeg u čvrsto agregacijsko stanje stežu. Kod tih tvari povećanjem tlaka raste temperatura tališta. Jedna je od tih tvari živa. Temperatura tališta žive veća je pri višem tlaku.

Nekim se tvarima prijelazom iz tekućeg agregacijskog stanja u čvrsto povećava volumen. Na primjer, kada voda prelazi iz tekućeg agregacijskog stanja u čvrsto, nastali led imat će veći volumen nego voda od koje je nastao. Kod vode se povećanjem tlaka smanjuje temperatura tališta.

Pažljivo proučite dijagram ovisnosti termodinamičke temperature o dovedenoj toplini!

Dijagram prikazuje ovisnost termodinamičke temperature $T$ o količini dovedene topline $Q$ za prijelaz vode kroz sva tri agregacijska stanja.

Dijagram ovisnosti termodinamičke temperature o dovedenoj toplini

ishodište - 1

Ovaj dio dijagrama pokazuje ovisnost temperature $T$ o količini dovedene topline $Q$ dok se voda nalazi u čvrstom stanju. Iz dijagrama je vidljivo da je ta ovisnost proporcionalna.

Količina topline kojom se zagrijava led dobije se pomoću izraza za toplinu koju smo naučili u jedinici 2.1. Unutarnja energija i toplina.

$Q_{\mathrm{leda}}=m_{\mathrm{leda}}{c}_{\mathrm{leda}}\mathrm{\Delta }{T}_{\mathrm{leda}}$ 

1 - 2

U ovom dijelu dijagrama vidljivo je da se dovođenjem topline ne povećava temperatura. Do sada ste možda pretpostavljali kako dovođenje topline nekom tijelu uvijek uzrokuje povećanje njegove temperature. No, tomu nije uvijek tako. Pri prijelazu vode iz čvrstog agregacijskog stanja u tekuće, dovođenje topline NE UZROKUJE povećanje temperature leda.

Toplina koju neka količina tvari mora primiti iz okoline kako bi iz čvrstog agregacijskog stanja prešla u tekuće naziva se latentna toplina taljenja.

Sva dovedena toplina utroši se na promjenu agregatnog stanja, pri čemu temperatura ostaje nepromijenjena.

Ako se proces događa u obrnutom smjeru, ta će se energija osloboditi.

Zašto je tomu tako?

Poznato je da se dovođenjem topline čvrstim tijelima povećava i njihova unutarnja energija. Titranje molekula u tijelima postaje brže i samim time temperatura tijela sve je veća. Međutim, u jednom trenutku titranje molekula postane toliko jako da se molekule "izvuku" izvan dometa privlačnih međumolekulskih sila. Pritom je brzina molekula, kao i temperatura, ostala nepromijenjena jer se sva dovedena toplina utrošila na svladavanje privlačnih sila među molekulama.

Latentna toplina taljenja dana je jednadžbom:

$Q_{\mathrm{t}}=m{L}_{\mathrm{t}}.$

Veličina $m$ je masa leda, a $L_{\mathrm{t}}$ je specifična latentna toplina taljenja.

Mjerna jedinica za specifičnu latentnu toplinu taljenja jest $\mathrm{J}{\mathrm{kg}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$ ili $\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg}}.$

Koliko je topline potrebno da se komad leda mase $2\mathrm{kg}$ potpuno pretvori u vodu?

$Q_{\mathrm{t}}=670\mathrm{kJ}$

Bravo! Ovo je točno rješenje.

$Q_{\mathrm{t}}=670\mathrm{J}$

$Q=6\mathrm{J}$

Nemoguće je riješiti ovaj zadatak!

Pomoć:

Za rješavanje ovog zadatka treba koristiti formulu za latentnu toplinu taljenja. Pri rješavanju zadatka valja paziti na temperaturu leda. Led se nalazi na ​ $0\mathrm{°}\mathrm{C}$ i spreman je za taljenje.

Postupak:

$Q=m{L}_t=67000\mathrm{J}=670\mathrm{kJ}$

2 - 3
Ovaj dio dijagrama prikazuje ovisnost temperature $T$ o količini dovedene topline $Q$ vodi. Vidljivo je iz dijagrama da je ta ovisnost proporcionalna.
Količina topline kojom se zagrijava voda dobije se pomoću formule:

$Q_{\mathrm{vode}}=m_{\mathrm{vode}}{c}_{\mathrm{vode}}\mathrm{\Delta }{T}_{\mathrm{vode.}}$

3 - 4
Dijagram u ovom dijelu prikazuje dovođenje topline bez promjene temperature. Sva toplina utrošena je na promjenu agregacijskog stanja vode iz tekućeg u plinovito stanje, odnosno u vodenu paru, i ta se toplina naziva latentna toplina isparavanja.

Latentna toplina isparavanja može se objasniti na sličan način kao i latentna toplina taljenja.

Oznaka $m$ predstavlja masu tvari, a $L_{\mathrm{i}}$ specifičnu latentnu toplinu isparavanja. Mjerna jedinica za specifičnu latentnu toplinu isparavanja jest $\mathrm{J}{\mathrm{kg}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$  ili $\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg}}.$

4 - 5

Dijagram u ovom dijelu prikazuje ovisnost temperature $T$ o količini dovedene topline $Q$ za vodenu paru. Vidljivo je iz dijagrama kako je ta ovisnost proporcionalna.

Količina topline kojom se zagrijava vodena para izračunava se pomoću formule:

$Q_{\mathrm{pare}}=m_{\mathrm{pare}}{c}_{\mathrm{pare}}\mathrm{\Delta }{T}_{\mathrm{pare}}.$

 Tablica tališta i latentnih toplina taljenja nekih tvari

Tvar	Talište pri normiranom tlaku $(°\mathrm{C})$	$L_{\mathrm{t}}(\mathrm{kJ}/\mathrm{kg})$
aluminij	$660$	$390$
kositar	$232$	$59$
olovo	$327$	$25$
led	$0$	$333$
željezo	$1535$	$260$
živa	$-39$	$12$

Tablica vrelišta i latentnih toplina isparavanja nekih tvari

Tvar	Vrelište pri normiranom tlaku $(°\mathrm{C})$	$L_{\mathrm{i}}(\mathrm{kJ}/\mathrm{kg})$
alkohol	$78$	$850$
dušik	$-169$	$200$
eter	$35$	$370$
kisik	$-183$	$213$
voda	$100$	$2260$
živa	$357$	$280$

Povezani sadržaji

Prisjetite se iz Fizike 1 što je normirani tlak i koliko iznosi!

Kutak za znatiželjne

Regelacija leda

Preko komada leda prebaci se žica koja je s obiju strana opterećena utegom. Zbog promjene u tlaku ispod same žice, dolazi do taljenja leda koji se potom iznad žice pri atmosferskom tlaku ponovo kristalizira.