Zmeny skupenstva látok Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Skupenstvo látky — Látky sa bežne vyskytujú v troch skupenstvách: pevnom, kvapalnom a plynnom. Skupenstvo závisí od toho, ako pevne sú častice (atómy a molekuly) navzájom viazané a ako rýchlo sa pohybujú. Pri zmene teploty alebo tepla látka môže prejsť z jedného skupenstva do druhého — to nazývame zmena skupenstva.

2. Časticová stavba látok — V pevnej látke sú častice tesne pri sebe a len kmitajú okolo stálych miest, preto má pevný tvar. V kvapaline sú častice voľnejšie a môžu sa premiestňovať, preto kvapalina tečie. V plyne sú častice ďaleko od seba a pohybujú sa veľmi rýchlo všetkými smermi. Zmena skupenstva je vlastne zmena vzájomného usporiadania a pohybu častíc.

3. Topenie — Topenie je zmena pevnej látky na kvapalinu, ktorá nastáva pri zahrievaní (dodávaní tepla). Dodané teplo zvyšuje pohyb častíc, až sa rozruší pevná stavba a látka sa stane kvapalnou — napríklad ľad sa mení na vodu. Počas topenia látka teplo prijíma.

4. Tuhnutie — Tuhnutie je opačný dej k topeniu: kvapalina sa mení na pevnú látku pri ochladzovaní (odoberaní tepla). Častice spomalia natoľko, že sa usporiadajú do pevnej stavby — napríklad voda zamŕza na ľad. Počas tuhnutia látka teplo odovzdáva do okolia.

5. Teplota topenia (tuhnutia) — Každá kryštalická látka sa topí a tuhne pri tej istej presnej teplote, ktorú voláme teplota topenia. Pre ľad (vodu) je to 0 °C, pre olovo asi 327 °C, pre železo okolo 1 538 °C. Počas topenia sa teplota látky nemení, hoci stále prijíma teplo — všetko dodané teplo sa spotrebuje na rozrušenie pevnej stavby.

6. Vyparovanie — Vyparovanie je premena kvapaliny na plyn (paru), ktorá prebieha iba na povrchu kvapaliny a pri akejkoľvek teplote. Z povrchu unikajú najrýchlejšie častice, preto sa napríklad mokrá bielizeň usuší aj pri izbovej teplote. Vyparovanie je rýchlejšie pri vyššej teplote, väčšej ploche povrchu a prievane (prúdení vzduchu).

7. Var — Var je búrlivé vyparovanie v celom objeme kvapaliny, nielen na povrchu, ktoré nastáva až pri určitej teplote — teplote varu. Vznikajú bubliny pary, ktoré stúpajú nahor. Pre vodu je teplota varu za normálneho tlaku 100 °C; počas varu sa teplota kvapaliny už ďalej nezvyšuje, aj keď stále dodávame teplo.

8. Teplota varu a tlak — Teplota varu závisí od tlaku vzduchu nad kvapalinou: čím nižší tlak, tým nižšia teplota varu. Vysoko v horách, kde je tlak menší, voda vrie už pri menej ako 100 °C, preto sa tam jedlo varí dlhšie. V tlakovom hrnci je naopak tlak vyšší, voda vrie pri vyššej teplote a jedlo sa uvarí rýchlejšie.

9. Kondenzácia (skvapalňovanie) — Kondenzácia je opačný dej k vyparovaniu a varu: plyn (para) sa mení späť na kvapalinu pri ochladzovaní. Vodná para vo vzduchu skondenzuje na chladnom povrchu na drobné kvapôčky — preto sa rosí studené okno alebo zrkadlo v kúpeľni. Pri kondenzácii látka teplo odovzdáva do okolia.

10. Sublimácia a desublimácia — Sublimácia je priama premena pevnej látky na plyn bez toho, aby sa stala kvapalinou (napríklad „zmenšovanie" snehu v mraze alebo vôňa naftalínu). Desublimácia je opačný dej — plyn sa mení priamo na pevnú látku, napríklad keď vodná para vytvorí na chladnom okne ľadové kvety alebo námrazu. Tieto deje dopĺňajú prehľad všetkých zmien skupenstva.

11. Teplo pri zmenách skupenstva — Pri každej zmene skupenstva sa teplo buď prijíma, alebo odovzdáva. Deje smerom k „voľnejšiemu" usporiadaniu častíc — topenie, vyparovanie, var a sublimácia — teplo prijímajú. Deje smerom k „pevnejšiemu" usporiadaniu — tuhnutie, kondenzácia a desublimácia — teplo odovzdávajú. Toto prijímanie a odovzdávanie tepla je kľúčom k pochopeniu celého kolobehu skupenstiev.

12. Kolobeh vody v prírode — Zmeny skupenstva vysvetľujú kolobeh vody na Zemi: voda sa vyparuje z morí a riek, para stúpa a v chladnejších vrstvách kondenzuje na kvapôčky v oblakoch, z ktorých padá dážď alebo (po tuhnutí) sneh. Vďaka slnečnému teplu sa tento kolobeh stále opakuje. Je to dôležitý príklad, ako fyzikálne deje fungujú v skutočnej prírode okolo nás.

1. Poučka

Látky sa vyskytujú v troch skupenstvách: pevné, kvapalné a plynné. Keď látka prijíma alebo odovzdáva teplo, môže prejsť z jedného skupenstva do druhého. Tieto deje nazývame zmeny skupenstva: topenie, tuhnutie, vyparovanie, var a kondenzácia (skvapalnenie).

2. Vysvetlenie

Skupenstvo závisí od toho, ako sú v látke usporiadané a ako sa pohybujú jej častice. Čím viac tepla látka prijme, tým rýchlejšie sa častice pohybujú.

• Topenie — pevná látka prijíma teplo a mení sa na kvapalinu (ľad → voda). Deje sa pri teplote topenia.
• Tuhnutie — kvapalina odovzdáva teplo a mení sa na pevnú látku (voda → ľad). Je to opak topenia a deje sa pri rovnakej teplote ako topenie.
• Vyparovanie — kvapalina sa mení na paru z povrchu, pri akejkoľvek teplote (mokrý chodník vyschne).
• Var — kvapalina sa rýchlo mení na paru v celom objeme, pri presne určenej teplote varu (voda vrie pri 100 °C za normálneho tlaku).
• Kondenzácia (skvapalnenie) — para odovzdáva teplo a mení sa späť na kvapalinu (rosa, zahmlené okno). Je to opak vyparovania.

Pravidlo o teple: topenie, vyparovanie a var teplo SPOTREBÚVAJÚ (prijímajú), tuhnutie a kondenzácia teplo UVOĽŇUJÚ (odovzdávajú).

3. Príklady a prečo je to dôležité

Príklad 1 — prijíma, či odovzdáva teplo: Kocky ľadu v nápoji sa topia. Prijímajú pritom teplo, alebo ho odovzdávajú?
Ľad sa mení z pevnej látky na kvapalinu, je to topenie.
Na rozrušenie pevnej stavby potrebuje teplo a berie ho z nápoja.
Nápoj teplo stráca, preto sa ochladí.
Výsledok → topenie, ľad teplo prijíma a nápoj chladí

Príklad 2 — od ľadu po paru: Ľad s teplotou −10 °C zohrievame, až kým voda nevrie. Kedy sa teplota zastaví?
Ľad sa ohrieva z −10 °C na 0 °C.
Pri 0 °C sa topí. Teplota stojí, kým sa neroztopí všetok ľad.
Voda sa ohrieva z 0 °C na 100 °C.
Pri 100 °C vrie. Teplota opäť stojí, teplo sa spotrebuje na var.
Teplota sa zastaví → pri 0 °C (topenie) a pri 100 °C (var)

Príklad 3 — vyparovanie a var (prax): Mokrá bielizeň vyschne v izbe pri 22 °C, voda v hrnci bublá pri 100 °C. Čím sa tieto deje líšia?
Bielizeň: voda uniká len z povrchu a pri akejkoľvek teplote, to je vyparovanie.
Hrniec: bubliny pary vznikajú v celom objeme pri teplote varu, to je var.
Rozdiel → vyparovanie na povrchu pri každej teplote, var v celom objeme pri teplote varu

Príklad 4 — zahmlené okuliare: Prečo sa ti zahmlia okuliare, keď sa nakloníš nad hrniec s horúcou polievkou?
Nad polievkou je veľa vodnej pary.
Okuliare sú chladnejšie, para sa pri nich ochladí.
Para sa zmení na drobné kvapôčky vody → kondenzácia

Príklad 5 — teplota topenia: Olovo sa topí pri 327 °C. Aké skupenstvo má pri 250 °C a pri 400 °C?
250 °C je menej ako 327 °C, olovo sa ešte neroztopilo.
400 °C je viac ako 327 °C, olovo je už roztopené.
Výsledok → pri 250 °C pevné, pri 400 °C kvapalné

Príklad 6 — varenie na horách: Prečo sa vo vysokých horách cestoviny varia dlhšie?
Vysoko v horách je nižší tlak vzduchu.
Pri nižšom tlaku vrie voda pri nižšej teplote ako 100 °C.
Voda je chladnejšia, preto jedlo mäkne pomalšie → voda vrie pod 100 °C a jedlo sa varí dlhšie

Prečo je to dôležité: zmeny skupenstva sú všade okolo nás — v počasí (dážď, sneh, hmla, rosa), v domácnosti (varenie, chladnička, sušenie) aj v priemysle (výroba kovov, plastov). Pochopenie tepla pri týchto dejoch pomáha napríklad správne chladiť potraviny, predpovedať počasie a šetriť energiu.

Precvič si

1. Ako sa volá premena vody na ľad? Voda pri nej teplo prijíma, alebo odovzdáva?
2. Pri akej teplote sa topí ľad a pri akej vrie voda za normálneho tlaku?
3. Prečo je ti zima, keď mokrý vylezieš z bazéna?
4. Cín sa topí pri 232 °C. Aké skupenstvo má pri 200 °C a pri 300 °C?
5. Ľad s teplotou −15 °C zohrejeme na vodu s teplotou 40 °C. O koľko stupňov stúpla teplota a pri akej teplote sa na chvíľu zastavila?
6. V mraze sa na okne vytvoria ľadové kvety priamo z vodnej pary. Ako sa volá tento dej?