Fenomene de schimbare a stării de agregare

Se analizează transformările de fază ale substanțelor și condițiile în care au loc.

Cele trei stări de agregare și trecerile dintre ele

Aceeași substanță poate exista în trei stări de agregare, care se deosebesc prin cât de strâns sunt legate particulele între ele:

• solidă — particulele sunt foarte apropiate și doar vibrează în jurul unor poziții fixe; corpul are formă proprie și volum propriu;
• lichidă — particulele sunt apropiate, dar alunecă una peste alta; lichidul are volum propriu, dar ia forma vasului;
• gazoasă — particulele sunt depărtate și se mișcă haotic; gazul nu are nici formă, nici volum propriu, ocupând tot vasul.

Apa este exemplul perfect, pentru că o întâlnim în toate trei: gheață, apă lichidă, vapori.

Trecerile dintre stări formează șase fenomene, care se învață în perechi inverse:

• topirea: solid → lichid; inversul ei este solidificarea: lichid → solid;
• vaporizarea: lichid → gaz; inversul ei este condensarea: gaz → lichid;
• sublimarea: solid → gaz, direct; inversul ei este desublimarea: gaz → solid, direct.

Regula generală care organizează tot capitolul: fenomenele care duc spre o stare mai „dezordonată” (topire, vaporizare, sublimare) au nevoie de energie primită, deci corpul absoarbe căldură. Fenomenele inverse (solidificare, condensare, desublimare) cedează căldură mediului.

Foarte important: în timpul unei schimbări de stare, temperatura substanței rămâne constantă, deși ea primește sau cedează căldură în continuare. Energia nu se duce în creșterea agitației termice, ci în ruperea sau refacerea legăturilor dintre particule.

Topirea și solidificarea

Topirea este trecerea unei substanțe din stare solidă în stare lichidă, prin absorbție de căldură. Solidificarea este fenomenul invers, cu cedare de căldură.

Substanțele cristaline (gheața, metalele, sarea) se topesc la o temperatură bine determinată, numită temperatură de topire, caracteristică fiecărei substanțe la o presiune dată:

• gheața: 0 °C;
• plumbul: circa 327 °C;
• fierul: circa 1538 °C.

Pentru aceste substanțe, temperatura de solidificare este egală cu temperatura de topire. Apa îngheață la aceeași temperatură la care gheața se topește — 0 °C.

Substanțele amorfe (sticla, ceara, plastilina, smoala) nu au o temperatură de topire fixă: se înmoaie treptat pe un interval larg de temperaturi.

Graficul de încălzire al unui corp cristalin conține un palier orizontal exact la temperatura de topire: deși flacăra continuă să dea căldură, termometrul stă pe loc până când întreaga cantitate de substanță s-a topit. Acesta este cel mai bun test că ai înțeles capitolul: dacă amesteci gheață cu apă, amestecul rămâne la 0 °C atât timp cât mai există gheață în pahar.

Cazul special al apei, legat de anomalia ei: la topire, gheața își micșorează volumul, iar la solidificare apa își mărește volumul cu aproximativ o zecime. De aceea crapă sticlele uitate în congelator, plesnesc țevile iarna și se sparg rocile prin înghețuri repetate — un fenomen numit dezagregare, cu rol important în formarea solului.

Vaporizarea: evaporare și fierbere

Vaporizarea este trecerea din stare lichidă în stare gazoasă, cu absorbție de căldură. Ea se poate produce în două moduri complet diferite, iar deosebirea dintre ele este cerută constant la teste.

Evaporarea:

• are loc numai la suprafața liberă a lichidului;
• se produce la orice temperatură, chiar și la rece — de asta se usucă rufele iarna;
• este un proces lent.

Evaporarea este mai rapidă dacă: temperatura este mai mare, suprafața liberă este mai mare (rufele întinse se usucă mai repede decât mototolite), aerul din jur este mai uscat sau bate vântul.

Fierberea:

• are loc în toată masa lichidului, cu formare de bule care urcă la suprafață;
• se produce doar la o temperatură bine determinată, numită temperatură de fierbere;
• este un proces rapid și zgomotos.

Pentru apă, la presiune atmosferică normală, temperatura de fierbere este 100 °C. Ea depinde de presiune: la munte, unde presiunea atmosferică e mai mică, apa fierbe la mai puțin de 100 °C, iar mâncarea se gătește mai greu. Invers, în oala sub presiune, apa fierbe la peste 100 °C și mâncarea se face mai repede.

În timpul fierberii, temperatura lichidului rămâne constantă, oricât ai mări flacăra. O greșeală tipică de bucătărie și de examen: dacă dai focul mai tare, apa nu devine mai fierbinte, ci doar fierbe mai repede, adică se evaporă mai mult într-un timp mai scurt.

Condensarea este fenomenul invers, cu cedare de căldură: vaporii devin lichid. O vezi la aburirea geamurilor, la picăturile de pe capacul oalei, la roua de dimineață și în formarea norilor și a ploii.

Sublimarea și desublimarea

Unele substanțe pot trece direct din solid în gaz, fără să treacă prin starea lichidă. Fenomenul se numește sublimare și are loc cu absorbție de căldură.

Exemple pe care le poți verifica singur:

• naftalina (globulețele antimolii) — se micșorează treptat până dispare, fără să lase vreo urmă de lichid;
• gheața carbonică (dioxidul de carbon solid) — de aceea i se spune „gheață uscată” și de aceea produce fumul alb din spectacole;
• iodul solid, care la încălzire ușoară dă vapori violeți;
• zăpada — se poate micșora pe timp uscat și geros, fără să se topească.

Fenomenul invers, trecerea directă din gaz în solid, se numește desublimare și are loc cu cedare de căldură.

Exemple: bruma care se depune dimineața pe iarbă, promoroaca de pe crengi și chiciura de pe geamuri. Toate se formează când vaporii de apă din aer ating o suprafață foarte rece și trec direct în cristale de gheață.

De reținut, pentru itemii care cer identificarea fenomenului: bruma nu este rouă înghețată. Roua se formează prin condensare (vapori → lichid), iar bruma prin desublimare (vapori → solid, direct). Este exact tipul de nuanță care face diferența la un item de recunoaștere.

Un rezumat util pentru sistematizare — fenomene cu absorbție de căldură: topirea, vaporizarea, sublimarea. Fenomene cu cedare de căldură: solidificarea, condensarea, desublimarea.

Căldura latentă

Ai văzut că, în timpul unei schimbări de stare, temperatura rămâne constantă deși substanța primește căldură. Unde se duce, atunci, energia?

Ea se consumă pentru ruperea legăturilor dintre particule, adică pentru trecerea substanței în noua stare, nu pentru mărirea agitației termice. Această energie „ascunsă” se numește căldură latentă — cuvântul latent înseamnă chiar ascuns, nemanifestat prin temperatură.

Căldura latentă specifică de topire (λ) este căldura necesară pentru a topi 1 kg de substanță aflată deja la temperatura de topire.

• Q = m · λ
• unitatea de măsură: J/kg
• pentru gheață, λ ≈ 334 000 J/kg

Căldura latentă specifică de vaporizare (l) este căldura necesară pentru a vaporiza 1 kg de lichid aflat la temperatura de fierbere.

• Q = m · l
• pentru apă, l ≈ 2 260 000 J/kg

Compară cele două numere cu ce știi din capitolul anterior: pentru a încălzi 1 kg de apă cu un grad sunt necesari circa 4185 J, dar pentru a-l vaporiza sunt necesari peste 2 milioane de jouli. De aceea o oală ajunge repede la fierbere, dar apa scade foarte încet după aceea.

Exemplu: câtă căldură trebuie pentru a topi complet 2 kg de gheață aflată deja la 0 °C? Q = m·λ = 2 · 334 000 = 668 000 J. Observă că nu intervine nicio diferență de temperatură — gheața la 0 °C devine apă la 0 °C.

Căldura latentă explică fenomene cotidiene:

• transpirația te răcorește pentru că, evaporându-se, apa ia căldură din piele;
• gheața din pahar răcește băutura mai eficient decât apa rece, pentru că absoarbe mult la topire;
• arsurile cu abur sunt mai grave decât cele cu apă la 100 °C, pentru că aburul cedează în plus, la condensare, întreaga căldură latentă.

Test — 6 întrebări ca la examen