Každá látka má svoje skupenstvo. Zmena skupenstva je proces, pri ktorom látka prechádza z jedného skupenstva do iného. Názvy sú odvodené od toho, či ide o plyn, kvapalinu alebo pevnú látku. Podľa toho rozoznávame skupenstvo plynné, kvapalné alebo tuhé. Tieto zmeny sú spôsobené zmenou teploty alebo tlaku.
Plynné, kvapalné a tuhé skupenstvo sa opisuje pri bežných podmienkach, teda pri 25°C. Ak sa zmení teplota alebo tlak (energie), spôsobí to zmenu skupenstva.
Z jedného skupenstva do druhého
Už sme si povedali, že látky dokážu meniť svoje skupenstvo. Prechádzajú z jedného skupenstva do iného a že skupenstvo látky sa mení v závislosti od teploty a tlaku.
Ochladzovaním (odoberaním energie) plynnej látky vznikne kvapalná látka a z nej následne tuhá látka. Naopak zahrievaním (dodávaním energie) dochádza k vyvolaniu vibrácií, molekuly látky sa rozkmitajú, ich väzby slabnú a z tuhej látky vzniká kvapalná, alebo plynná látka.
Aby sa tuhá látka zmenila na kvapalinu, musia jej častice získať zvonku dostatočnú energiu na to, aby dokázala narušiť väzby, ktoré ich držia v pevnej štruktúre. Ešte viac energie potrebujú kvapaliny, aby sa premenili na plyn.
Merné skupenské teplo
Množstvo tepla, ktoré je potrebné na zmenu skupenstva, má každá látka iné. Nazýva sa merné skupenské teplo. Je to teplo, ktoré je potrebné dodať pri topení alebo vare, alebo energia, ktorá sa uvoľňuje pri kondenzácii alebo tuhnutí.
Zmena skupenstva v odborných názvoch
Každá zmena skupenstva má svoj odborný názov.
Ak sa tuhá látka premieňa na kvapalnú, hovoríme o topení, naopak, keď sa kvapalina mení na tuhú látku, nazývame tento dej tuhnutie.
Keď sa plyn mení na kvapalinu, jedná sa o kondenzáciu, v opačnom prípade, teda keď sa kvapalná látka premieňa na plyn, hovoríme o vare a o vyparovaní.
Ak sa tuhá látka mení na plyn, hovoríme o sublimácii, v opačnom prípade, keď sa plyn mení na tuhú látku, jedná sa o desublimáciu, ktorú označujeme aj ako resublimácia.
Stručne:
1. Topenie: Prechod z pevného skupenstva do kvapalného. Tento proces je endotermický, čo znamená, že absorbuje teplo.
2. Tuhnutie: Prechod z kvapalného skupenstva do pevného. Tento proces je exotermický, čo znamená, že uvoľňuje teplo.
3. Kondenzácia: Prechod z plynného skupenstva do kvapalného. Pri kondenzácii sa uvoľňuje teplo.
4. Vyparovanie: Prechod z kvapalného skupenstva do plynného, ktorý sa môže odohrávať pri akejkoľvek teplote kvapaliny. Vyparovanie sa najčastejšie vyskytuje na povrchu kvapaliny.
5. Var: Rýchly prechod z kvapalného skupenstva do plynného, ktorý sa odohráva v celom objeme kvapaliny pri špecifických teplotách, ktoré sú závislé od tlaku.
6. Sublimácia: Priama zmena z pevného skupenstva do plynného bez toho, aby látka prešla kvapalným skupenstvom.
7. Desublimácia (resublimácia): Priama zmena z plynného skupenstva do pevného bez toho, aby látka prešla kvapalným skupenstvom.
Tieto premeny sú základné fyzikálne procesy, ktoré sa vyskytujú v prírode aj v priemysle. Zmena skupenstva je riadená energetickými zmenami na molekulárnej úrovni, kde teplo dodávané alebo odoberané z látky spôsobuje, že molekuly získavajú alebo strácajú kinetickú (pohybov) energiu, čo vedie k zmene ich vzájomného usporiadania a vzdialeností.
Topenie
Topenie: Prechod z pevného skupenstva do kvapalného. Tento proces je endotermický, čo znamená, že absorbuje teplo.
Topenie je dej, pri ktorom sa pevná látka mení na kvapalinu. Tento proces sa odohráva pri určitej teplote, ktorá sa nazýva teplota topenia, alebo bod topenia. Každá čistá látka má iný bod topenia, je to jeden zo základných fyzikálnych parametrov každej látky.
Inak povedané, topenie je proces, pri ktorom častice pevnej látky získajú (absorbujú) dostatočné množstvo energie (obyčajne je to teplo) čo spôsobí, že sa zvýši vnútorná energia molekúl tejto látky. Táto energia oslabuje medzimolekulárne sily, ktoré držia molekuly pevnej látky v pevnej štruktúre. Keď sily medzi molekulami zoslabnú natoľko, že sa molekuly dokážu voľnejšie pohybovať, látka sa stáva kvapalinou.
Bod topenia
Bod topenia je dôležitou charakteristikou látky, pretože pri ňom dochádza k významnej zmene objemu, aj ďalších fyzikálnych vlastností tejto látky. U väčšiny látok sa pri topení objem zväčšuje. Existuje však aj výnimka, keď sa pri topení objem zmenšuje. Je to voda.
Keď sa topí ľad, objem vody ktorý vznikne po jeho roztopení je menší, ako bol objem ľadu v tuhom stave. To je dôvod, prečo ľad pláva na vodnej hladine.
Bádateľská úloha pre teba!
Že je to naozaj tak si dokážeš overiť aj doma.
Naplň plastovú fľašu do polovice. Pred tým, ako ju vložíš do mrazničky, zmeraj a zapíš si jej obvod a nakresli na fľašu rysku, pokiaľ siaha hladina vody. Vlož fľašu do mrazničky. Po zmrazení sleduj, čo sa s objemom vody udialo. Zmeraj šírku fľaše a zisti, pokiaľ siaha zmrznutá hladina. Popremýšľaj nad tým.
Topenie – zhrňme si, čo vieme
Aby došlo k topeniu, látkam s vysokou teplotou topenia je potrebné dodať väčšie množstvo energie ako látkam s nižším bodom topenia. Je to preto, že ich molekuly sú pútané silnejšími väzbami. Ak ich rozrušíme, tuhá látka sa mení na kvapalnú.
Niektoré látky majú vyšší, iné nižší bod topenia. To v praxi znamená, že ak budeme látkam dodávať teplo, látky s nižším bodom topenia sa rozpustia ako prvé, lebo sily medzi ich molekulami zoslabnú skôr, látkam s vyšším bodom topenia to bude trvať o niečo dlhšie.
Asi najbežnejší príklad ktorý poznáš, je topenie ľadu alebo zmrzliny. Keď je vonku veľmi horúco, zmrzlina sa ti okamžite roztápa a steká po ruke. Aj ľad v pohári, ktorý ti ochladzuje malinovku zmizne v lete veľmi rýchlo.
V zime sa s topením stretávaš tiež. Aj keď sa na sneh chodíme pozerať už len vyššie položených miest, určite poznáš čo sa deje, keď slnko začne svojimi lúčmi ohrievať cencúľ. Ten sa okamžite začne rozpúšťať a odkvapkávajú z neho kvapky vody. Topí sa.
Kde sa využíva topenie
Topenie má veľa praktických využití. Tak napríklad:
– hutný priemysel – pri spracovaní kovov sa topenie využíva na ich tavenie, čo je základný výrobný proces pri ich spracovaní,
– potravinárstvo – v cukrárenskej výrobe topíme cukor aj čokoládu na prípravu zákuskov,
– výroba plastov – topenie využívame aj pri výrobe plastov, aby sme ich mohli tvarovať na výrobky, ktoré denne používame. Obzri sa okolo seba a pomenuj aspoň tri.
– vedecký výskum – vedci topia rôzne látky, aby dokázali študovať ich rôzne vlastnosti pri rôznych teplotách.
Konkrétne príklady topenia
Tu sú konkrétne príklady, s ktorými sa stretávaš úplne bežne:
1) Ľad sa na slnku topí a mení sa na vodu.
2) Pevná vosková sviečka sa topí, keď ju zapálime.
3) Nad parou topíme čokoládu na zákusky
4) … vymysli ďalšie príklady.
Tuhnutie
Tuhnutie: Prechod z kvapalného skupenstva do pevného. Tento proces je exotermický, čo znamená, že uvoľňuje teplo.
Tuhnutie je opačný proces ako topenie. Je to proces, pri ktorom látka prechádza zo stavu kvapalného do stavu pevného, alebo inak povedané, je to proces pri ktorom sa kvapalina mení na pevnú látku.
Pri tuhnutí kvapalina stráca teplo (energiu), čo vedie k poklesu vnútornej energie jej molekúl. Keď molekuly strácajú energiu, ich pohyb sa spomaľuje a začínajú sa zhlukovať do pevnejšej a pravidelnejšej kryštalickej štruktúry, a to vedie k vzniku tuhej látky.
Tuhnutie je typom premeny a obyčajne sa deje pri určitej teplote, ktorú nazývame teplota tuhnutia alebo bod tuhnutia. Bod tuhnutia je teplota, pri ktorej látka prestáva byť kvapalinou a stáva sa pevnou látkou.
Bod tuhnutia je často rovnaký ako bod topenia. Môže sa však líšiť v závislosti od prítomnosti nečistôt v látke alebo pri pôsobení tlaku.
Tuhnutie – exotermický proces
Tuhnutie je exotermický proces. Znamená to, že počas tuhnutia látka uvoľňuje teplo do svojho okolia. Najjednoduchší príklad tuhnutia je zmrznutie vody. Voda prechádza z kvapalného skupenstva do pevného skupenstva pri 0 stupňov Celzia, kedy vzniká ľad.
Počas tuhnutia môže dôjsť k výrazným objemovým zmenám. Je dôležité na to myslieť a zohľadniť túto skutočnosť pri výrobných procesoch. Napríklad pri tuhnutí vody sa jej objem zväčšuje, čo môže spôsobiť praskanie nádob alebo potrubí. Naopak, pri tuhnutí kovov môže dôjsť k zmenšeniu objemu, k zmršťovaniu. To treba zohľadniť vopred. Niektoré materiály musia tuhnúť veľmi pomaly, aby si zachovali správny tvar a pevnosť. Pri prudkom ochladení by mohlo dôjsť k ich poškodeniu.
Kde sa využíva tuhnutie
Tuhnutie je bežný proces v rôznych priemyselných odvetviach. Uvádzame niekoľko príkladov:
– potravinárstvo – výroba chladených potravín,
– výroba plastov – pri tuhnutí plastov do požadovaného tvaru,
– medicína – po spracovaní tuhnú rôzne biomateriály, z ktorých sú vytvorené implantáty alebo chirurgické nástroje,
– stavebníctvo – výroba keramických tvárnic, betónových prefabrikátov
– hutníctvo – po roztavení sa kovy nalievajú do formy, v ktorej tuhnú na hotový výrobok.
Konkrétne príklady tuhnutia:
1) Zmrznutie vody v mrazničke.
2) Roztavený kov alebo sklo po ochladení vytvorí pevný materiál.
3) Tok lávy vyteká zo sopky ako tekutina, po ochladení stuhne a stane sa pevnou horninou.
4) … vymysli ďalší príklad tuhnutia.
Kondenzácia
Kondenzácia: Prechod z plynného skupenstva do kvapalného. Pri kondenzácii sa uvoľňuje teplo.
Kondenzácia je proces, pri ktorom sa plyn alebo para mení do kvapalného stavu. Tento proces je dôsledkom ochladenia plynu alebo pary pod ich rosný bod. Pri ďalšom ochladení začne plyn kondenzovať na kvapalinu. Kondenzácia je opakom vyparovania.
Rosný bod
Rosný bod je teplota, pri ktorej je daná látka v rovnováhe medzi plynným a kvapalným skupenstvom. Alebo inak, rosný bod v prírode je teplota, pri ktorej je vzduch nasýtený vodnou parou a ďalšie ochladzovanie spôsobí, že prebytočná vodná para kondenzuje na kvapalnú vodu.
Rosný bod je priamo závislý na vlhkosti vzduchu.
Pri vyššej vlhkosti vzduchu je rosný bod bližšie k aktuálnej teplote vzduchu, pretože vzduch obsahuje viac vodnej pary a rýchlejšie dosiahne stav nasýtenia.
Pri nižšej vlhkosti je rosný bod nižší, pretože vzduch obsahuje menej vodnej pary a dosiahnutie nasýtenia a kondenzácie trvá dlhšie.
Rosný bod sa často používa v meteorológii, lebo poskytuje užitočné informácie o vlhkosti vzduchu a možnom výskyte kondenzácie vo forme hmly alebo rosy. Napríklad, ak je teplota vzduchu blízko rosného bodu, je pravdepodobné, že sa v noci alebo skoro ráno objaví rosa. Skús si lepšie všímať predpoveď počasia.
Kondenzácia v prírode
Kondenzácia vody je proces, ktorý v prírode nastáva, keď vodná para v atmosfére prechádza zo stavu plynného (pary) do stavu kvapalného (voda). Kondenzát vody vzniká, keď teplá a vlhká vzduchová hmota sa ochladí na alebo pod svoj rosný bod.
V prírode je kondenzácia dôležitá lebo umožňuje cirkuláciu vody v rámci vodného cyklu na Zemi, čím podporuje ekosystémy a zásobovanie vodou. Tento cyklus spočíva v tom, že voda sa zo Zeme odparuje vo forme vodnej pary, tá kondenzuje na kvapky vody, ktoré vytvoria oblaky, až nakoniec spadnú na zem ako dážď alebo sneh, aby sa tento cyklus mohol zopakovať.
Najčastejší príklad kondenzácie vidíš v lete, keď sa ti na vonkajšej strane pohára so studeným nápojom vytvoria kvapky vody. Deje sa to preto, lebo teplý a vlhký vzduch sa v kontakte s chladným povrchom pohára ochladí a jeho vodná para kondenzuje na kvapky vody.
Kondenzácia sa však môže objaviť na rôznych povrchoch, ako sú listy rastlín, tráva, okná, alebo chladnejšie predmety. Ako sme už spomenuli, príkladom sú aj poháre s chladeným nápojom.
Kondenzácia v priemysle
Proces kondenzácie vody je dôležitý v mnohých priemyselných odvetviach. Tu sú príklady :
1) Klimatizácia a chladenie: Kondenzácia sa využíva na odstránenie vlhkosti zo vzduchu a na chladenie v systémoch klimatizácie a chladiacich zariadení.
2) Destilácia: Kondenzácia sa používa na oddelenie zložiek zmesi na základe ich rozdielnych bodov varu. Parná fáza kondenzuje na kvapalnú formu, ktorá sa zbiera ako destilát.
3) Energetika: V parných turbínach sa využíva kondenzácia pary na vodu na zvýšenie účinnosti a na regeneráciu vody pre ďalšie použitie.
4) Meteorológia: Kondenzácia vodnej pary v atmosfére vedie k tvorbe oblakov, hmly a zrážok, čo sú základné aspekty počasia a klímy.
Vyparovanie
Vyparovanie: Prechod z kvapalného skupenstva do plynného, ktorý sa môže odohrávať pri akejkoľvek teplote kvapaliny. Vyparovanie sa najčastejšie vyskytuje na povrchu kvapaliny.
Vyparovanie je dôležitý fyzikálny jav s ktorým sa často stretávame aj v chémii. Je to proces, pri ktorom dochádza k premene kvapaliny na plyn. Obyčajne sa odohráva na povrchu kvapaliny a môže prebiehať pri akejkoľvek teplote, ale čím je teplota vyššia, tým sa rýchlosť vyparovania zvyšuje. Rýchlosť vyparovania však závisí na viacerých faktoroch.
Hlavné faktory
Mechanizmus vyparovania spočíva v tom, že molekuly kvapaliny, ktoré sa nachádzajú na jej povrchu, získavajú dostatočnú energiu (obvykle z tepla) na to, aby prekonali sily vnútorných medzimolekulových väzieb a potom unikli do okolitého prostredia vo forme plynu. Kvapalná látka sa vtedy mení na plynnú.
Vyparovanie závisí na týchto hlavných faktoroch:
– teplota kvapaliny,
– veľkosť plochy povrchu, z ktorého sa kvapalina môže odparovať,
– tlak pary kvapaliny,
– vlhkosť vzduchu a
– prúdenie (pohyb) vzduchu nad povrchom kvapaliny.
Kde vidíš vyparovanie
V prírode môžeš vyparovanie vidieť napríklad na hladine vodných plôch. Najčastejšie je viditeľné na jazerách na jar alebo v priebehu jesene, kde dochádza k premene vody na vodnú paru. Často vidieť vyparovanie aj na lúkach alebo poliach, keď v lete po daždi na nich zasvieti slnko a dažďová voda sa veľmi rýchlo z pôdy odparuje. Najčastejšie sa ale s vyparovaním stretávaš priamo doma, keď varíte cestoviny. Keď voda v hrnci vrie, vychádza z neho para.
Kde sa využíva vyparovanie
V chémii sa vyparovanie využíva často. Napríklad pri sušení alebo destilácii. Pri destilácii sa vyparujú jednotlivé zložky zmesi práve na základe ich odlišných bodov varu, čo umožňuje oddeľovanie jednotlivých zložiek.
Var
Var: Rýchly prechod z kvapalného skupenstva do plynného, ktorý sa odohráva v celom objeme kvapaliny pri špecifických teplotách, ktoré sú závislé od tlaku.
Var je proces, pri ktorom kvapalná látka prechádza do plynného skupenstva. Táto zmena sa deje vtedy, keď tlak pary nad kvapalinou dosiahne atmosférický tlak (alebo akýkoľvek tlak, ktorý je nad kvapalinou) a kvapalina dosiahne svoj bod varu pri danom tlaku.
Var je charakteristický rýchlym tvorením bublín vo vnútri kvapaliny, v celom objeme. Je to endotermický proces, pretože na udržanie varu musíme kvapaline stále dodávať teplo.
Bod varu
Bod varu je teplota, pri ktorej sa kvapalina mení na plyn, pričom teplota je závislá od okolitého tlaku. Pri vyššom tlaku bude bod varu vyšší, pretože musíme dodať viac energie, ktorý je potrebný na prekonanie väčšieho tlaku nad kvapalinou. Naopak, pri nižšom tlaku (ako napríklad v horách, vo vyšších nadmorských výškach) bude bod varu nižší. Znamená to, že voda začne vrieť skôr – pri nižšej teplote.
Bádateľská úloha pre teba!
Zisti rozdiel v teplotách vody pri bode varu v rôznych nadmorských výškach. U vás doma a niekde v horách. Nájdi si na mape aspoň 2 vysoké vrchy s rozdielnou výškou. Napríklad 2000 m.n.m a 6000 m.n.m (m.n.m. je skratka a znamená „metre nad morom“). Skús na internete zistiť, aký bod varu bude na každom z nich, aj u teba doma. Výsledok ťa môže riadne prekvapiť.
Var nastáva, keď teplota kvapaliny dosiahne bod varu pri danom tlaku. Bod varu je pre rôzne látky odlišný a závisí od chemických a fyzikálnych vlastností tejto látky.
Pri vare sa v kvapaline tvoria pary, ktoré vytvárajú bubliny. Keď tieto bubliny dosiahnu dostatočnú veľkosť, aby odolali okolitému tlaku, vystúpia na povrch a uniknú do atmosféry ako plyn.
Využitie varu v praxi
1) varenie – je to náš základným spôsobom prípravy jedla, teplo používame na zvýšenie teploty potravín nad bod varu vody, čím zničíme mikroorganizmy, ktoré by mohli nášmu zdraviu uškodiť a na zmäkčenie potravín,
2) destilácia – v chemických laboratóriách a v priemysle používame var na oddeľovanie zložiek zmesi na základe ich rozdielnych bodov varu,
3) sterilizácia – Var vody alebo iných roztokov sa používa na sterilizáciu nástrojov v medicíne a v biologickom výskume na zničenie mikroorganizmov,
4) energetika – v termoelektrárňach sa voda varí na výrobu pary, ktorá poháňa turbíny na výrobu elektrickej energie.
Bádateľská úloha pre teba!
Objav ešte niečo, kde sa využíva var. Určite poznáš. Dáme ti majú nápovedu. Využívali to naši dedovia a pradedovia, dnes už to môžeš vidieť len v múzeu a pomáhalo im to. Spôsobilo to doslova revolúciu v technickom pokroku.
Sublimácia
Sublimácia: Priama zmena z pevného skupenstva do plynného bez toho, aby látka prešla kvapalným skupenstvom.
Sublimácia v chémii je proces, pri ktorom látka prechádza priamo z pevného skupenstva do skupenstva plynného bez toho, aby sa predtým roztopila, teda bez prechodu cez kvapalné skupenstvo. Dá sa to nazvať anomáliou.
Tento jav je možný pri látkach, ktoré majú pri danom tlaku nižšiu teplotu topenia ako teplotu sublimácie. Pri sublimácii dochádza k absorpcii (spotrebovaniu) tepla, čo je endotermický proces. Príkladom látky, ktorá prechádza sublimáciou, je suchý ľad (tuhý oxid uhličitý, CO2), ktorý pri bežnom atmosférickom tlaku sublimuje pri teplote okolo -78,5 °C, pričom prechádza priamo z pevného skupenstva do plynného bez toho, aby sa stal kvapalinou. Ďalším príkladom je gáfor.
Suchý ľad (tuhý oxid uhličitý) sa dá kúpiť a ako animátori sme ho v AMAVETe často používali na veľmi efektné pokusy. Predáva sa v menších aj väčších granulách, používa sa na chladenie.
Sublimácia sa využíva v rôznych priemyselných procesoch, ako je napríklad výroba umelých vlákien, pri vákuovom čistení materiálov alebo v potravinárstve pri sušení potravín pre ich dlhodobé skladovanie bez straty kvality. Tejto technike sušenia potravín sa hovorí lyofilizácia.
Desublimácia
Desublimácia (resublimácia): Priama zmena z plynného skupenstva do pevného bez toho, aby látka prešla kvapalným skupenstvom.
Desublimácia nastáva pre premene plynnej látky na tuhú, je opakom sublimácie. Desublimácia je teda proces, pri ktorom látka prechádza priamo zo skupenstva plynného do pevného skupenstva bez toho, aby sa predtým skvapalnila, teda bez prechodu cez kvapalné skupenstvo.
Tento proces je tiež známy pod názvom resublimácia. Dochádza pri ňom k uvoľneniu tepla, je to teda exotermický proces.
Kde sa desublimácia vyskytuje
Vyskytuje sa v prírode, aj v priemysle. Príkladom desublimácie v prírode je tvorba námrazy alebo iných kryštálových štruktúr, kde vodná para v atmosfére prechádza priamo do pevného skupenstva v podobe snehu alebo ľadu pri nízkych teplotách.
Desublimácia v priemysle
1) chemický priemysel – pri výrobe chemických látok, sa desublimácia využíva na oddelenie a čistenie určitých produktov od nečistôt,
2) elektrotechnika – pri výrobe polovodičov, integrovaných obvodov a iných polovodičových zariadení sa desublimácia používa na nanášanie tenkých vrstiev materiálov, ako sú kremík, zlúčeniny arzénu alebo fosforu,
3) hutný priemysel – desublimácia sa využíva na získavanie kovov z ich pár, napríklad pri získavaní cínu alebo zinku,
4) kryštalizácia – na vytváranie veľkých kryštálov niektorých látok, ako je napríklad jód, ktoré sa potom môžu použiť na priemyselné alebo vedecké účely,
5) výskum – vo výskumných laboratóriách sa desublimácia používa na prípravu vzoriek pod mikroskop alebo na zachytávanie a analýzu látok v plynnej fáze.
Desublimácia je teda dôležitým procesom v mnohých oblastiach, kde je potrebné získať pevné látky z ich plynnej formy s vysokou čistotou alebo špecifickou kryštalickou štruktúrou.
Zdroje:
GAJDOŠ a spol. 2011. VEDA. Bratislava. Ikar
BELANOVÁ a spol. 2013. Školská encyklopédia biológie, chémie a fyziky. Bratislava. PRÍRODA
zo školských poznámok šprta
