Stany skupienia substancji i przemiany fazowe. Ciało fizyczne każdy przedniot, istoty żywe, które biorą udział w doświadczeniu lub za pomocą których opisujemy zjawiska fizyczne. Ciała fizyczne są z budowane z różnych substancji np. linijka z plastiku, szafa z drewna itd. Wszystko co nas otacza zbudowane jest z atomów lub cząsteczek (czyli połączonych atomów) Zbiór atomów tego samego rodzaju nazywamy pierwiastkiem. W przyrodzie istnieją trzy podstawowe stany skupienia : a) Stan stały (np. drewno, żelazo) b) Stan ciekły (np. woda, alkohol) c) Stan gazowy (np. para wodna, dwutlenek węgla) Przemiany fazowe ( nazwy przejść między stanami skupienia). Stan skupienia substancji może się zmienić wraz ze zmianą temperatury, zachodzą wtedy następujące zjawiska fizyczne: Ogrzewanie substancji Pod wpływem ogrzewania: zwiększa się energia drobin (atomów), drobiny szybciej się poruszają i zajmują większą przestrzeń, drobiny oddalają się od siebie coraz bardziej i następuje zmiana stanu skupienia. Kiedy ogrzewamy ciało stałe, następuje wzrost jego temperatury, a po pewnym czasie zaczyna ono topnieć zmienia się w ciecz. Jej temperatura mimo ogrzewania nie wzrasta. Taką temperaturę nazywamy temperaturą topnienia. Jest ona charakterystyczna dla poszczególnych substancji. Temperatura topnienia liczbowo jest równa temperaturze krzepnięcia.
Kiedy ogrzewamy ciecz, następuje wzrost temperatury i ciecz zaczyna parować, a przy dalszym wzroście temperatury ciecz zaczyna wrzeć. W tym momencie, mimo ogrzewania, temperatura cieczy już nie wzrasta, to temperatura wrzenia. Jest ona stała, charakterystyczna dla każdej substancji. Wrzenie parowanie w całej objętości Temperatura wrzenia zależy od wartości ciśnienia atmosferycznego, np. wysoko w górach woda wrze w niższej temperaturze niż 100 C. Parowanie cieczy to powolne przechodzenie w stan gazowy, odbywa się ono w dowolnej temperaturze. Oziębienie substancji Na skutek oziębiania substancji: zmniejsza się energia drobin, drobiny poruszają się coraz wolniej, drobiny przybliżają się do siebie, zmienia się stan skupienia. Kiedy oziębiamy ciało stałe, nie następuje zmiana stanu skupienia, obniża się tylko jego temperatura, natomiast gdy oziębiamy ciecz, następuje przejście w ciało stałe, czyli krzepnięcie (potocznie ciecz zamarza, zachodzi w temperaturze krzepnięcia charakterystycznej dla danej substancji). Gdy oziębiamy gaz, następuje przejście w ciecz, czyli gaz się skrapla. Stan skupienia substancji w danym momencie zależy od temperatury i ciśnienia. Dla wody (najważniejsze informacje w warunkach normalnych) Temperatura topnienia lodu i krzepnięcia wody 0oC ( zamiana lodu w wodę i wody w lód) Woda paruje w każdej temperaturze, a intensywność parowania zależy od wilgotności powietrza ( im mniejsza to parowanie rośnie), temperatury ( wzraz ze wzrostem rośnie parowanie) i powierzchni parującej (im większa powierzchnia parująca to większe parowanie). Woda wrze ( paruje w całej objętości) w temperaturze 100oC zamieniając się w parę wodną (gaz). Wysychanie mokrych ubrań na mrozie jest przykładem sublimacji lodu. Powstawanie szadzi w mroźny wilgotny dzień (noc) jest przykładem resublimacji pary wodnej (zamarzanie pary wodnej i osadzanie kryształków lodu np. na drzewach). się
WŁAŚCIWOŚCI STANÓW SKUPIENIA a) stan stały: posiada własny określony kształt, mimo zmiany kształtu zachowuje swoją objętość przewodniki i izolatory (cieplne i elektryczne) włąściwości mechaniczne : kruchość, twardość, plastyczność, sprężystość b) stan ciekły: nie posiadają własnego kształtu, przyjmują kształt naczyń w których się znajdują tworzą powierzchnię swobodną, powierzchnia nieograniczona ściankami naczynia ( lustro cieczy związane z napięciem powierzchniowym) są mało ściśliwe ( wykorzystana własność w podnośnikach hydraulicznych) konwekcja cieplna ( ogrzewanie się cieczy i gazów na wskutek unoszenia się ciepłych lżejszych warstw cieczy/gazu ku górze a opadaniu cięższych zimnych) przewodnictwo prądu (elektrolity np.roztwory soli) oraz izolatory ( woda destylowana) c) stan gazowy nie posiadają własnego kształtu, przyjmują (wypełniają) kształt naczyń w których się znajdują są ściśliwe i rozprężliwe ( łatwo zmienić ich objętość) podlegają konwekcji praktycznie nie przewodzą prądu BUDOWA CZĄSTECZKOWA STANÓW SKUPIENIA a) stan stały: odległości między cząsteczkami są małe, a oddziaływania (przyciągające) między nimi duże, każda cząsteczka ma swoje określone miejsce w ciele i mocno jest związana cząsteczkami sąsiednimi, cząsteczki poruszają się względem położenia równowagi (drgają a nie mieszają się!) większości cząsteczki są ułożone w sposób reguralny tworząc tzw. sieć krystaliczną.
Taką budowę ma większość substancji np. cukier, metale, kamienie itp. Kryształy możemy podzielić na monokryształy ( pojedynczy krysztal np. diament) oraz polikryształy ( zlepek wielu monokryształów np. bryłka miedzi). niektóre substancje nie mają określonej temperatury topnienia lub krzepnięcia, wynika to z faktu, iż nie mają reguralnej budowy krystalicznej takie substancje nazywamy amorficzne (bezpostaciowe) np. wosk, smoła, szkło b) stan ciekły odległości między sząsteczkami są małe i oddziaływania duże, choć nie tak duże jak w ciałach stałych (oznacza, że ciecze są praktycznie nieściśliwe) cząsteczki poruszają się bez przerwy mieszają się z sobą c) stan gazowy cząsteczki nie sią związane z sobą i poruszają się chaotycznie w przypadkowych kierunkach zderzając się ze sobą cząsteczki gazów zajmują całą dostępną im przestrzeń odległości między nimi są duże a oddziaływania bardzo małe ( zatem łatwo można zmienić odległości między cząsteczkami czy są ściśliwe i rozprężliwe) SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE Siły międzycząsteczkowe siły wystepujące między cząsteczkami substancji, do takich sił należą: siły spójności ( siły oddziaływania między cząsteczkami tej samej substancji np. między cząsteczkami wody. Siły takie są dość silne a ich oddziaływanie przyciągające formuje ciecz w krople, kule.) siły przylegania ( występują między cząsteczkami dóch różnych substancji np. woda szkło. Siły te powodują np. zlepianie się płytek szklanych zwilżonych wodą, przyczepianie się tuszu do papieru lub kropel wody do szyby) Rodzaje menisków: a) mienisk wklęsły powstaje gdy siły przylegania cieczy do naczynia są większe od sił spójności cieczy np. woda w szklance b) menisk wypukły powstaje gdy siły spójności cieczy są większe od sił przylegania cieczy do naczynia np. rtęć w naczyniu szklanym
Napięcie powierzchniowe to cieńka, elastyczna i wytrzymała błonka na powierzchni cieczy. Przyczyną istnienia napięcia powierzchniowego są siły przyciągania pomiędzy cząsteczkami ( siły spójności). Taką własność cieczy wykorzystuje nartnik Detergenty substancje chemiczne zmniejszające siły międzycząsteczkowe (gdy zmniejszy się oddziaływanie międzycząsteczkowe np. cząsteczek brudu z ubraniem to łatwiej jest ten brud zmyć). Do takich substancji zaliczmy np. mydło, płyn do mycia naczyń. DOŚWIADCZENIA POTWIERDZAJĄCE BUDOWĘ CZĄSTECZKOWĄ SUBSTANCJI Wiemy, iż cząsteczki są w nieustannym ruchu, a ruchliwość ich wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Zatem cząsteczki mogą się przemieszczać między sobą. Doświadczenia potwierdzające ich przemieszczanie się to : a) dyfuzja przenikanie cząsteczek jednej substancji w drugiej będących w tym samym stanie skupienia. Zachodzi we wszystkich sanach skupienia, najszybciej w gazach najwolniej w ciałach stałych. Szybkość dyfuzji zależy od: stanu skupienia i temperatury. Przykłady dyfuzji np. ozchodzenie się zapachu w powietrzu, zaparzanie herbaty. Innym przykładem dyfuzji jest zjawisko osmozy, polegające na przemieszczaniu się cząsteczek i jonów przez błony półprzepószczalne, w kierunku wyrównywania się stężenia związku chemicznego lub jonu, zdolnego do przenikania przez błonę b) kontrakcja przenikanie mniejszych cząsteczek w wolne miejsca między duże sząsteczki, co powoduje zmniejszenie się objętości mieszających się substancji np. alkohol i woda, groch i kasza manna.
c) ruchy Browna chaotyczne ruchy cząstek w płynie, wywołane zderzeniami zawiesiny z cząsteczkami płynu np. oczka tłuszczu w rosole, drobinki pieprzu na wodzie. ROZSZERZALNOŚĆ TEMPERATUROWA SUBSTANCJI. Rozszerzalność temperaturowa substancji to właściwość fizyczna ciał polegająca na zwiększaniu się ich długości (rozszerzalność liniowa) lub objętości (rozszerzalność objętościowa) w miarę wzrostu temperatury. Ciała stałe a) dylatoskop to przyrząd do demonstrowania rozszerzalności liniowej ciał stałych( np. prętów metalowych), czyli wydłużaniu się ciał stałych podczas ogrzewania (wzrostu ich temperatury) i kurczeniu się przy studzeniu (obniżaniu temperatury). b) przerwa dylatacyjna jest to celowo utworzona wolna przestrzeń między dwoma rozszerzającymi się ciałami w celu zapobięgnięcia deformacji lub uszkodzenia np. torów kolejewych, konstrukcji mostów itp. c) bimetal połączenie rozszerzalnościach dówch metali temperaturowych np. o różnych inwar z aluminium. W wyniku ogrzewania biletal wygina się. Zastosowanie np. urządzeniach temperatury, w kierunkowskazach do pomiaru samochodowych,
urządzeniach termoregulacyjnych, bezpiecznikowych i sygnalizacyjnych. Rysunek obok przedstawia bimetal (na czerowno ozanczony metal o dużej rozszerzalności temperaturowej zaś na żółty to metal o małej rozszerzalności temperaturowej) Ciecze. Wraz ze wzrostem temperatury ciecz rozszerza się i jej poziom w rurce podnosi się. Przy obniżeniu temperatury ciecz kurczy się i jej poziom w rurce obniża się. Wiekszość cieczy rozszerza się liniowo np. alkohol wyjątkiem jest woda. Anomalna rozszerzalność wody zjawisko fizyczne polegające na zmniejszaniu się objętości wody w miarę wzrostu temperatury w przedziale od 0oC do 4oC. Po przekroczeniu 4oC objętość wody rośnie. V[mm3] alkohol V[mm 3] Vo woda Vo Vmin 0 T[oC] 0 4 T[ oc] W temperatururze 4oC objętość wody jest najmniejsza a gęstość największa ( czyli w jeziorach przy dnie osiągnie około 4oC) Gazy Gazy największym stopniu rozszerzają się ze wszsytkich stanów skupienia. Wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki gazów poruszają się szybciej jednocześnie wzrastają odległości między nimi. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta ciśnienie gazu w zamkniętym zbiorniku.