OBSERWACJE ZJAWISK ZIMĄ

Transkrypt

1 OBSERWACJE ZJAWISK ZIMĄ TOPNIENIE, PAROWANIE, SUBLIMACJA I RESUBLIMACJA Jakub Kędziora Zawidz Kościelny grudzień

2 Spis treści 1. Zima Stany skupienia wody Przejścia fazowe Topnienie Krzepnięcie Parowanie Skraplanie Sublimacja Resublimacja Zjawiska występujące zimą Szron Szadź Śnieg Gołoledź Grad

3 1. Zima Zima jedna z czterech pór roku w przyrodzie, w strefie klimatu umiarkowanego. Charakteryzuje się najniższymi temperaturami powietrza w skali roku, umiarkowaną ilością opadu atmosferycznego, zazwyczaj zestaloną (zamarzniętą) formą opadu i osadu atmosferycznego, a większość świata roślin i zwierząt przechodzi okres uśpienia. Zima astronomiczna rozpoczyna się w momencie przesilenia zimowego i trwa do momentu równonocy wiosennej, co w przybliżeniu oznacza na półkuli północnej okres pomiędzy 22 grudnia a 21 marca (czasami daty te wypadają dzień wcześniej lub dzień później, a w roku przestępnym mogą być dodatkowo cofnięte o jeden dzień). Podczas zimy astronomicznej dzienna pora dnia jest krótsza od pory nocnej, jednak z każdą kolejną dobą dnia przybywa, a nocy ubywa. Za zimę klimatyczną przyjmuje się okres roku, w którym średnie dobowe temperatury powietrza spadają poniżej 0 C. Zasadniczo zimę poprzedza jesień, jednak pomiędzy tymi okresami znajduje się klimatyczny etap przejściowy - przedzimie. Podobnie zimę od wiosny oddziela przedwiośnie. Dla półkuli południowej wszystkie opisane daty i zjawiska są przesunięte o pół roku. Za miesiące zimowe na półkuli północnej uznaje się grudzień, styczeń i luty, a na południowej czerwiec, lipiec i sierpień. 3

4 4

5 2. Stany skupienia wody Woda występuje najczęściej w postaci cieczy, jednak może być ona również ciałem stałym (lód lub śnieg), a także gazem (para wodna). Prawie wszystkie substancje mogą przechodzić z jednego stanu skupienia w inny. Rozróżnia się następujące przejścia fazowe wody : ze stanu stałego w ciekły - topnienie ze stanu ciekłego w stały - krzepnięcie ze stanu ciekłego w gazowy - parowanie ze stanu gazowego w ciekły - skraplanie ze stanu stałego w gazowy - sublimacja ze stanu gazowego w stały - resublimacja Stan stały - lód lub śnieg. Lód lub śnieg występują poniżej 0 C tzw. temp. topnienia. W przyrodzie występują w zimie lub cały czas na obu biegunach. Mają właściwości jak każde ciało stałe tzn. mają określony kształt, trudno zmienić ich objętość. Lód powstaje ze schłodzonej wody czyli przez krzepnięcie lub przez resublimację. Lód tak samo jak woda i para wodna nie ma koloru, w dotyku jest zimny i jest ciałem kruchym np. kiedy uderzymy kawałek lodu młotkiem rozkruszy się na wiele drobnych kawałków. Zjawisko zmiany objętości podczas przechodzenia z fazy ciekłej do fazy stałej wody (lód) pełni bardzo istotną rolę w przyrodzie. W szczególności dotlenienie gleby poprzez rozsadzanie zmarzniętych brył ziemi oraz zjawisko pękania skał. Śnieg podobnie jak lód powstaje ze schłodzonej wody lub pary wodnej. Ma kolor biały co można zauważyć podczas zimy. Na śniegu można wykonywać wiele sportów jak narciarstwo lub snowboard. 5

6 Stan cieczy - woda. Woda występuje pomiędzy temp.0 C i 100 C. Jest ona najważniejszym składnikiem kuli ziemskiej. Bez niej nie mogły by rosnąć rośliny, żyć zwierzęta oraz ludzie. Woda jest wykorzystywana przez człowieka w wielu gałęziach przemysłu. Nie ma określonego kształtu nie jest ściśliwa. Powstaje ona przez schłodzenie pary wodnej czyli skraplanie lub ogrzewanie lodu czyli topnienie. Woda występuje w postaciach jezior, rzek, oceanów itp. Woda jest rozpuszczalnikiem dla wielu ciał stałych np. dla cukru, soli, wapnia. Woda zajmuje więcej powierzchni na kuli ziemskiej niż kontynenty. Ludzie niestety nie potrafią docenić tej wspaniałej cieczy i wrzucają do wody chemikalia, odpady radioaktywne itp. Woda była przedmiotem wielu badań, które osiągnęły światową sławę. Stan gazowy-para wodna. Para występuje w każdej temperaturze. Im większa powierzchnia swobodna tym woda szybciej paruje. Para wodna tworzy się przez parowanie i powyżej 100 C czyli temp. wrzenia oraz przez sublimację czyli zamianę lodu w parę. Często para wodna mylona jest z mgłą, mgła to drobne kropelki wody, para wodna natomiast jest niewidoczna i tworzy się wszędzie. W krajach cieplejszych występuje więcej pary wodnej niż w krajach chłodniejszych dlatego Europejczykowi trudno jest się zaaklimatyzować w Afryce lub w Azji. Parę wodną wykorzystuje się w silnikach parowych, używana jest też saunach do gorących kąpieli parowych. Zjawisko parowania jest jednym z podstawowych czynników istnienia przyrody. Woda parując tworzy obłoki pary w formie chmur, które z chłodzone opadają na ziemię pod postacią deszczu. 6

7 3. Przejścia fazowe Fazowe przejście, fazowa przemiana - zmiana fazy układu (np. ciało stałe - ciecz lub paramagnetyk - ferromagnetyk) wywoływana przepływem energii do (od) układu termodynamicznego ( Topnienie Topnienie (z Wikipedii, wolnej encyklopedii) - przemiana fazowa, polegająca na przejściu substancji ze stanu stałego w stan ciekły. Zjawisko topnienia ściśle wiąże się ze zjawiskiem krzepnięcia. Oznaczana eksperymentalnie temperatura topnienia nie zawsze jednak odpowiada ściśle temperaturze krzepnięcia. Wynika to m.in. z wpływu zanieczyszczeń, szybkości schładzania lub ogrzewania, tworzeniem zarodków krystalizacji oraz ze zjawisk powierzchniowych i międzyfazowych. Dla każdego idealnie czystego pierwiastka i większości związków chemicznych, przy określonym ciśnieniu można wyznaczyć jedną, ściśle określoną temperaturę topnienia, która zarazem jest też jej temperaturą krzepnięcia. Pomiary takie wykonuje się na bardzo małych próbkach i przy jak najwolniejszym tempie zmiany temperatury. Niektóre związki chemiczne nie topią się w ogóle, gdyż rozkładają się przed osiągnięciem temperatury topnienia. W przypadku mieszanin związków chemicznych i związków o bardzo wysokich masach cząsteczkowych (polimery, bipolimery), wyznaczanie jednej temperatury topnienia jest niewykonalne, gdyż proces ten jest dla takich substancji bardzo złożony. W przypadku polimerów, kompozytów i stopów metali bardzo często zamiast mówić o temperaturze topnienia, mówi się raczej o zakresie temperatur mięknięcia. Z punktu widzenia termodynamiki topnienie jest przemianą fazową I rodzaju, co oznacza w praktyce, że nie może zachodzić bez wymiany ciepła. Procesy topnienia prowadzone pod stałym ciśnieniem mają zawsze charakter endotermiczny, co oznacza, że do ich zajścia konieczne jest dostarczenie z zewnątrz określonej porcji energii termicznej. Ilość ciepła potrzebnego do stopienia danej substancji w temperaturze topnienia jest proporcjonalna do masy tej substancji. Współczynnik proporcjonalności, tzw. ciepło topnienia, jest stały dla danej substancji. 7

8 3.2. Krzepnięcie Krzepnięcie (z Wikipedii, wolnej encyklopedii) - proces przechodzenia ciała ze stanu ciekłego w stan stały. Krzepnięcie wielu substancji zachodzi w określonej temperaturze zwanej temperaturą krzepnięcia (dla wody 0 C). W miejscu styku substancji w stanie stałym i stanie ciekłym w cieczy i w ciele stałym podczas krzepnięcia i topnienia jest taka sama temperatura zwana temperaturą topnienia. Temperatura topnienia jest podawana jako wielkość charakterystyczna dla wielu substancji. Temperatura topnienia (krzepnięcia) zależy nieznacznie od ciśnienia. Krzepnięciu towarzyszy wydzielanie ciepła co jest równoważne temu, że krzepnięcie przy stałym ciśnieniu wymaga odprowadzenia ciepła z krzepnącej substancji. Ilość ciepła wydzielanego podczas krzepnięcia wyraża się wzorem gdzie: c t - ciepło krzepnięcia (topnienia), m - masa substancji Rozpoczęcie krzepnięcia jest uzależnione od obecności w cieczy zarodków krystalizacji, na których rozpoczyna się proces tworzenia kryształów. Zarodki mogą być homogeniczne (samoistne) lub heterogeniczne (pochodzące np. od zanieczyszczeń). Brak zarodków prowadzi do pojawienia się cieczy o temperaturze niższej niż temperatura krzepnięcia, ciecz taka zwana jest cieczą przechłodzoną. Krzepnięciu roztworów towarzyszy zwykle rozdzielenie na poszczególne składniki. Temperatura krzepnięcia roztworu zależy od stężenia roztworu. Temperatura, w której rozpoczyna się krzepnięcie roztworu jest zazwyczaj niższa od temperatury krzepnięcia czystego rozpuszczalnika, a dla mieszanin cieczy niższa od temperatur krzepnięcia cieczy składowych. Wielokrotnego topnienia i krzepnięcia używa się do rozdzielania lub oczyszczania substancji (rekrystalizacja) Parowanie Parowanie (ewaporacja) (z Wikipedii, wolnej encyklopedii) - proces zmiany stanu skupienia, przechodzenia z fazy ciekłej danej substancji w fazę gazową (parę) zachodzący z reguły na powierzchni cieczy. Może odbywać się w całym zakresie ciśnień i temperatur, w których mogą współistnieć z sobą obie fazy. 8

9 Szybkość procesu parowania zależy od temperatury oraz ciśnienia parcjalnego pary nad cieczą. Gdy ciśnienie pary jest równe ciśnieniu pary nasyconej w danej temperaturze, to parowanie nie zachodzi. Stan też określa się jako równowagę między parowaniem, a skraplaniem. Obniżenie ciśnienia oraz napływ gazu o mniejszym stężeniu pary, zwiększa szybkość parowania. Gdy ciśnienie pary nasyconej zrówna się z ciśnieniem otoczenia, wówczas proces parowania - zwany wówczas wrzeniem - zaczyna zachodzić również w całej objętości cieczy. Parowanie zachodzi wtedy, gdy cząsteczka ma dostatecznie wysoką energię kinetyczną, by wykonać pracę przeciwko siłom przyciągania między cząsteczkami cieczy. Podczas parowania w ciśnieniu znacznie niższym od ciśnienia krytycznego objętość substancji znacznie wzrasta Skraplanie Skraplanie lub kondensacja (z Wikipedii, wolnej encyklopedii) zjawisko zmiany stanu skupienia, przejścia substancji z fazy gazowej w fazę ciekłą. Przeciwieństwo parowania. Skraplanie może zachodzić przy odpowiednim ciśnieniu i w temperaturze niższej od temperatury krytycznej. Zestaw parametrów; ciśnienie i temperatura, dla których rozpoczyna się proces skraplania nazywany jest punktem rosy. Kondensacja wiąże się ze zmniejszeniem odległości między cząsteczkami substancji. Spadek temperatury powoduje, że cząsteczki poruszają się wolniej. Siły oddziaływania między nimi wzrastają, aż do momentu uzyskania nowego stanu równowagi. Przy tym zachodzi wydzielanie energii w postaci ciepła. Cząsteczki tworzą zwartą masę, jednak nie powstają między nimi trwałe wiązania charakterystyczne dla ciał stałych. Para wodna z gorącej herbaty skrapla się w powietrzu tworząc delikatną mgiełkę. 9

10 Proces skraplania zachodzi inaczej, gdy w gazie znajdują się zanieczyszczenia. Mogą one być zarodkami rodzących się kropel lub utrudniać powstawanie cieczy. Zależności fizyczne opisujące kondensację mają bardzo skomplikowane rozwiązania. Jeżeli jakieś zjawisko jest bardzo zależne od procesu skraplania, to niesamowicie trudno jest symulować jego przebieg. Problem ten utrudnia budowanie wiarygodnych prognoz pogody, w której procesy skraplania wody i tworzenia chmur odgrywają zasadniczą rolę. Niektóre gazy są trudne do skroplenia, gdyż dzieje się to w niskiej temperaturze. Gaz Temperatura [K] / [ C] Uwagi butan 275,5 / 2,35 propan 231 / -42,15 Skrót LPG. Ciekły propan-butan stosowany między innymi jako paliwo w motoryzacji. metan 111,4 / -161,75 Skrót LNG. Główny składnik skroplonego gazu ziemnego (ponad 90%). tlen 90,18 / -182,97 Skrót LOx. Skroplenie tlenu zostało dokonane po raz pierwszy 5 kwietnia 1883 przez profesorów UJ w Krakowie Zygmunta Wróblewskiego (polski chemik) i Karola Olszewskiego (polski fizyk i chemik). argon 87,3 / -185,85 Skroplenie argonu (a także jego zestalenie) zostało dokonane po raz pierwszy w roku 1895 przez Karola Olszewskiego. azot 77,3 / -195,85 Skrót LN2. Skroplenie azotu zostało dokonane po raz pierwszy 13 kwietnia 1883 przez Zygmunta Wróblewskiego i Karola Olszewskiego. wodór 20,26 / -252,88 Stosowany między innymi jako paliwo rakietowe. hel 4,22 / -268,93 Ciekły hel schłodzony do odpowiedniej temperatury wykazuje nadciekłość. 10

11 Skroplona woda w postaci kropel na pajęczynie Sublimacja Sublimacja (z Wikipedii, wolnej encyklopedii) przemiana fazowa bezpośredniego przejścia ze stanu stałego w stan gazowy z pominięciem stanu ciekłego. Zjawisko odwrotne do sublimacji to resublimacja. Po raz pierwszy najdokładniej proces ten opisał nieznany alchemik średniowieczny zwany pseudo-geberem (XII w.). W następnych wiekach sublimacja stała się procesem powszechnie stosowanym w laboratoriach chemicznych. Sublimację wyzyskuje się w laboratoriach i w przemyśle do oczyszczania względnie wydzielania z mieszanin substancji takich jak jod, kamfora, salmiak, naftalen, antracen i in. Większość związków chemicznych nie sublimuje w temperaturze i przy ciśnieniu zbliżonym do warunków normalnych. Dla danej substancji sublimacja zachodzi w takich warunkach termodynamicznych (ciśnienie i temperatura), w których nie może ona istnieć w formie ciekłej. Warunki te określa ciśnienie punktu potrójnego dla tej substancji. Aby 11

12 zachodziła sublimacja, ciśnienie parcjalne bezpośrednio nad powierzchnią sublimującego ciała musi być niższe od ciśnienia równowagi dla danej temperatury ciała. Dla ciśnień powyżej ciśnienia równowagi zachodzi resublimacja. Dla temperatur poniżej punktu potrójnego stan równowagi wyznacza zależność ciśnienia sublimacji od temperatury. Ze wzrostem ciśnienia wzrasta temperatura sublimacji, jednak jest ona zawsze niższa od temperatury punktu potrójnego. Punkt potrójny - to stan w jakim dana substancja może istnieć w 3 stanach skupienia równocześnie w stanie równowagi termodynamicznej. Na wykresie stanów równowagi jest to punkt przecięcia krzywych równowagi fazowej substancji (stan skupienia (faza) substancji w zależności od ciśnienia i temperatury), odpowiadający stanowi równowagi trwałej tych trzech stanów skupienia (ciało stałe, ciecz, gaz). Punkt potrójny jest wielkością charakterystyczną dla danej substancji, podawany jest w opisach substancji. Punkty potrójne niektórych substancji są używane jako wzorce skali temperatur. (Oznaczenia z rysunku: T - topnienie, K - krzepnięcie, P - parowanie, Sk - skraplanie, S - sublimacja, R - resublimacja) Przykład: Woda w stanie ciekłym, lód, para wodna są w równowadze (punkt potrójny) w temperaturze 0,01 C i ciśnieniu 611,73 Pa Punkt potrójny wody. Przykładem ciała sublimującego w warunkach normalnych jest suchy lód czyli zestalony dwutlenek węgla. Jego punkt potrójny wypada przy ciśnieniu 5,1 atm. i temperaturze 56,6 C, zatem blok zamrożonego dwutlenku węgla wystawiony do pomieszczenia, w którym panuje typowe ciśnienie atmosferyczne (ok. 1 atm.) i temperatura ok. 20 C będzie sublimował, a nie topił się. Temperatura sublimacji suchego lodu przy ciśnieniu normalnym jest równa 78 C. Uzyskanie równowagi między cieczą, a gazem dla dwutlenku węgla wymaga uzyskania ciśnienia powyżej 5,1 atm. 12

13 Sublimacja jest często wykorzystywana do oczyszczania związków chemicznych, które mają na tyle wysoką temperaturę wrzenia, że ich destylowanie byłoby bardzo kłopotliwe. Ze względu na to, że większość związków organicznych ma punkt potrójny przy ciśnieniu znacznie niższym od ciśnienia atmosferycznego, sublimacja wymaga zwykle stosowania aparatury próżniowej. Mgła powstająca w wyniku sublimacji suchego lodu. Prosty aparat do sublimacji. Woda, zwykle chłodzona, krąży w wkładzie, co pozwala sublimowanej substancji osadzać się na nim po ochłodzeniu. 1 Dopływ wody chłodzącej 2 Odpływ wody chłodzącej 3 Połączenie z pompą próżniową 4 Komora sublimacyjna 5 Zestalona substancja 6 Sublimowana substancja 7 Zewnętrzne źródło ciepła 13

14 3.6. Resublimacja Resublimacja lub desublimacja (z Wikipedii, wolnej encyklopedii) przejście fazowe, polegające na bezpośrednim przechodzeniu substancji z fazy gazowej (pary) w fazę stałą z pominięciem stanu ciekłego. Resublimacja jest procesem odwrotnym do sublimacji. W wyniku resublimacji wody (pary wodnej) powstaje szron. Resublimacja w połączeniu z sublimacją lub parowaniem, jest wykorzystywana do oczyszczania lub rozdzielania substancji i otrzymywania jej w postaci drobnych kryształów (jest to m.in. metoda oczyszczania jodu). 4. Zjawiska występujące zimą 4.1. Szron Szron to osad atmosferyczny, tworzący drobne lodowe kryształki w postaci igieł powstające na dowolnym podłożu hydrofilowym (Hydrofilowość (wodolubność) to skłonność cząsteczek chemicznych do łączenia się z wodą. Szron powstaje w wyniku kontaktu wilgotnego powietrza z podłożem o temperaturze poniżej 0 C, zachodzi wówczas resublimacja pary wodnej, czyli jej bezpośrednia przemiana w ciało stałe. Jeżeli w powietrzu są przechłodzone krople wody, mogą powstawać formy pośrednie między szronem a szadzią. 14

15 Szron na siatce ogrodzenia Oszronione drzewo. 15

16 4.2. Szadź Szadź (też: sadź) to osad lodu powstający przy zamarzaniu małych, przechłodzonych kropelek wody (mgły lub chmury) w momencie zetknięcia kropelki z powierzchnią przedmiotu lub już narosłej szadzi. Składa się ze zlepionych kryształków lodu narastając niekiedy do stosunkowo znacznych grubości, powodując łamanie się pod jej ciężarem gałęzi drzew. Szadź na szczycie Szczelińca Wielkiego najwyższego szczytu (919 m n.p.m.) w Górach Stołowych na terenie Parku Narodowego Gór Stołowych. Na gruncie i w pobliżu gruntu szadź osadza się na przedmiotach po stronie nawietrznej na ich krawędziach i miejscach ostro zakończonych. W atmosferze swobodnej szadź może występować na nawietrznych częściach samolotu. Rozróżnia się szadź miękką i szadź twardą. Szadź miękka (i jej formy pośrednie z gołoledzią) powstaje, gdy podczas mgły składającej się z przechłodzonej wody jej cząsteczki zetkną się z ciałem stałym i zanim zamarzną zdążą w większości rozpłynąć się. Szadź ta zawiera pewną ilość lodu bezpostaciowego. Szadź twarda oraz formy pośrednie ze szronem powstają, gdy krople dotykające już utworzonej szadzi lub szronu nie zdążą rozpłynąć się przed zamarznięciem. Szadź ta zawiera w swojej strukturze miejsca wypełnione powietrzem. Szadź jest często mylona ze szronem. Różnica polega na tym, że szron składa się z igiełek lodu, które mogą być rozgałęzione, ale nie tworzą zwartej bryły. Szadź zawiera kryształki lodu pozlepiane (igiełek nie ma lub jest ich niewiele). 16

17 Szadź na drzewach. 17

18 4.3. Śnieg Śnieg to opad atmosferyczny w postaci kryształków lodu o kształtach głównie sześcioramiennych gwiazdek, łączących się w płatki śniegu. Tworzy na ziemi białą, porowatą pokrywę o niewielkiej gęstości. Śnieg powstaje gdy para wodna w chmurach krystalizuje się, tworząc regularne sześcioramienne kryształy lodu o wielkości kilku milimetrów. Płatek śniegu to luźna zbitka kryształów śniegu, mogąca mieć do kilku centymetrów. Czasem określa się tak samo również pojedyncze kryształki. Płatki śniegu. 18

19 4.4. Gołoledź Gołoledź osad w postaci gładkiej, równej, przezroczystej warstwy lodu, pokrywającej podłoże. Powstaje wtedy, gdy deszcz (lub mgła) opada na podłoże o temperaturze niższej od zera. Spadające kropelki rozpływają się i zamarzają. Do gołoledzi najczęściej dochodzi wtedy, gdy po mroźnej i suchej pogodzie przychodzi ocieplenie, przynoszące również opady lub zamarzania cienkiej warstwy wody pokrywającej powierzchnię. Jest to zjawisko bardzo groźne, zwłaszcza dla użytkowników dróg i chodników. Gołoledź bywa nazywana czasem czarnym lodem, szczególnie gdy dotyczy ona ciemnej asfaltowej nawierzchni. Gołoledź na asfaltowej drodze. 19

20 4.5. Grad Grad to opad atmosferyczny w postaci bryłek lodu (nazywanych gradzinami lub gradowinami) o średnicy od 5 mm do 50 mm. Opad gradu następuje jednak zwykle w ciepłej porze roku z silnie rozbudowanych chmur typu cumulonimbus i bywa połączony z obfitym opadem deszczu. Obfity grad ze szczególnie dużymi gradowinami, tzw. gradobicie, może spowodować znaczące straty, w szczególności w rolnictwie i może trwać nawet kilkadziesiąt godzin. Gradzina powstała z połączenia mniejszych bryłek. Skutki gradobicia. 20