Teplota – skúmanie premien skupenstva látok

Teplota – skúmanie premien skupenstva látok

Teplo je fyzikálna veličina, ktorá úzko súvisí s pohybom častíc v látkach. Každá látka sa skladá z drobných častíc (atómov, molekúl), ktoré sa neustále pohybujú alebo kmitajú. Čím vyššia je teplota látky, tým rýchlejšie sa jej častice pohybujú. Pri znižovaní teploty sa pohyb častíc spomaľuje.

Častice a skupenstvá látky

• Každá látka sa skladá z veľmi malých častíc (molekuly, atómy).
• Častice sa neustále pohybujú alebo kmitajú – nikdy “nespia”.
• Látka sa môže vyskytovať v troch základných skupenstvách:
  • pevné skupenstvo – častice sú blízko pri sebe, len kmitajú na svojom mieste, látka má stály tvar a objem,
  • kvapalné skupenstvo – častice sú ďalej od seba, môžu sa posúvať, kvapalina má stály objem, ale meniteľný tvar,
  • plynné skupenstvo – častice sú veľmi ďaleko od seba, lietajú v celom priestore, plyn nemá stály tvar ani objem.
• Teplota látky súvisí s pohybom častíc:
  • čím je teplota vyššia, tým sa častice pohybujú rýchlejšie,
  • čím je teplota nižšia, tým sa častice pohybujú pomalšie.

Skupenské zmeny látok

Pri zmene skupenstva sa mení usporiadanie a pohyb častíc, ale chemické zloženie látky zostáva rovnaké (voda je stále H₂O, či je ľad, voda alebo vodná para).

Základné skupenské zmeny:

• Topenie – prechod z pevného skupenstva na kvapalné
  • príklad: ľad sa mení na vodu.
• Tuhnutie – prechod z kvapalného skupenstva na pevné
  • príklad: voda v mrazničke tuhne na ľad.
• Vyparovanie – prechod z kvapalného skupenstva na plynné
  • príklad: voda sa mení na vodnú paru pri vode na sporáku alebo pri sušení prádla.
• Kondenzácia – prechod z plynného skupenstva na kvapalné
  • príklad: kvapôčky vody na okne, keď je vonku zima a vnútri teplo.

Ďalšie skupenské zmeny:

• Sublimácia – prechod z pevného skupenstva priamo na plynné
  • príklad: suchý ľad (CO₂ v pevnom skupenstve) sa mení priamo na plyn bez kvapalnej fázy.
• Desublimácia – prechod z plynného skupenstva priamo na pevné
  • príklad: vznik inovaťe alebo srieňa – vodná para zo vzduchu sa pri veľkom chlade mení priamo na ľadové kryštáliky.

Kedy látke teplo dodávame a kedy ho odoberáme

Pri niektorých zmenách skupenstva musí látka teplo prijať, pri iných ho musí odovzdať okoliu.

Teplo dodávame pri týchto skupenských zmenách:

• topenie (ľad → voda),
• vyparovanie (voda → para),
• sublimácia (sneh → vodná para).

Teplo odoberáme pri týchto skupenských zmenách:

• tuhnutie (voda → ľad),
• kondenzácia (para → voda),
• desublimácia (vodná para → ľad).

Ak teda niečo zohrievame, zvyčajne mu dodávame teplo.
Ak niečo chladíme, zvyčajne mu odoberáme teplo.

Proces topenia – čo ukazuje graf

Pri topení látky (napr. ľadu) prebieha proces v troch fázach:

• Prvá fáza – ohrievanie pevnej látky
  • látka je v pevnom skupenstve,
  • dodávame teplo, teplota látky stúpa,
  • častice v pevnej látke kmitajú čoraz rýchlejšie, až kým sa teplota nedostane na teplotu topenia (pri ľade 0 °C).
• Druhá fáza – samotné topenie
  • teplota dosiahne teplotu topenia (napr. 0 °C pri ľade),
  • látka sa začína meniť z pevného skupenstva na kvapalné,
  • dodávame ďalej teplo, ale teplota sa nemení – zostáva ustálená,
  • všetko dodané teplo sa používa iba na rozvoľnenie väzieb medzi časticami, nie na zvyšovanie teploty.
• Tretia fáza – ohrievanie kvapaliny
  • látka je už celá v kvapalnom skupenstve,
  • opäť dodávame teplo a teplota kvapaliny stúpa,
  • častice vody sa pohybujú stále rýchlejšie, až kým nedosiahneme teplotu varu.

Dôležité:

• Počas samotného topenia je teplota látky stála, aj keď teplo stále dodávame.

Skupenské teplo – čo to je a prečo ho potrebujeme

Pri skupenských zmenách používame pojem skupenské teplo.

• Skupenské teplo je teplo, ktoré musíme dodať alebo odobrať látke s teplotou skupenskej zmeny, aby celá látka zmenila skupenstvo.
• Počas skupenskej zmeny sa teplota látky nemení (napr. ľad sa topí pri 0 °C, para kondenzuje pri 100 °C), preto nemôžeme počítať teplo zo vzťahu
  • Q=m⋅c⋅ΔtQ=m⋅c⋅Δt
    (lebo Δt=0Δt=0).

Preto zavádzame hmotnostné skupenské teplo:

• je to tabuľková hodnota, ktorá hovorí, koľko tepla je potrebné na premenu 1 kg látky pri danej skupenskej zmene,
• značíme ho zvyčajne L (alebo ll) a má jednotku J/kg (v niektorých tabuľkách kJ/kg).

Podľa typu skupenskej zmeny hovoríme o:

• hmotnostnom skupenskom teple topenia – pri topení,
• hmotnostnom skupenskom teple varu – pri vare (vyparovaní pri teplote varu),
• hmotnostnom skupenskom teple sublimácie,
• hmotnostnom skupenskom teple tuhnutia,
• hmotnostnom skupenskom teple kondenzácie,
• hmotnostnom skupenskom teple desublimácie.

Teplo pri skupenskej zmene vypočítame zo vzorca:

• Q=m⋅LQ=m⋅L
  • QQ – teplo,
  • mm – hmotnosť látky,
  • LL – hmotnostné skupenské teplo danej látky.

Príklad – topenie ľadu

• Hmotnostné skupenské teplo topenia ľadu:
  • Ltopenia=332 kJ/kgLtopenia=332kJ/kg.

To znamená:

• ak máme 1 kg ľadu s teplotou 0 °C, musíme mu dodať 332 kJ tepla, aby sa celý premenil na 1 kg vody s teplotou 0 °C;
• ak máme 2 kg ľadu pri 0 °C, potrebné teplo je
  • Q=m⋅L=2 kg⋅332 kJ/kg=664 kJQ=m⋅L=2kg⋅332kJ/kg=664kJ.

Všimni si:

• Počas celého topenia je teplota stále 0 °C,
• všetko dodané teplo sa spotrebuje na zmenu skupenstva, nie na zvýšenie teploty.

Zhrnutie najdôležitejších myšlienok

• Látky sa skladajú z častíc, ktoré sa neustále pohybujú; rýchlosť ich pohybu závisí od teploty.
• Poznáme tri základné skupenstvá: pevné, kvapalné, plynné.
• Pri skupenských zmenách sa mení usporiadanie častíc, nie chemické zloženie.
• Pri topení, vyparovaní a sublimácii látke teplo dodávame, pri tuhnutí, kondenzácii a desublimácii jej teplo odoberáme.
• Pri samotnej skupenskej zmene ostáva teplota látky rovnaká, mení sa len skupenstvo.
• Množstvo tepla potrebného na úplnú zmenu skupenstva vypočítame zo vzorca
  • Q=m⋅LQ=m⋅L – nazývame ho skupenské teplo.