Studiul stărilor de agregare, transformărilor de stare și legilor gazelor ideale.
Orice substanță e formată din particule (molecule, atomi, ioni) aflate într-o mișcare dezordonată permanentă, numită agitație termică. Ce diferă între cele trei stări nu este natura particulelor, ci cât de puternic se atrag și cât de liber se mișcă.
De aici vine și diferența de compresibilitate: gazele se comprimă ușor pentru că între particule e mult spațiu gol, în timp ce lichidele și solidele sunt practic incompresibile.
Confuzia clasică: mulți elevi cred că, la topire, particulele „se transformă” în altceva. Nu. Compoziția chimică rămâne aceeași — gheața, apa lichidă și vaporii de apă sunt toate H2O. Se schimbă doar aranjarea și energia particulelor. De aceea transformările de stare sunt fenomene fizice, nu chimice.
Trecerile dintr-o stare de agregare în alta au nume fixe, care se cer pe de rost:
Vaporizarea are două forme: evaporarea, care se produce doar la suprafața lichidului, la orice temperatură, și fierberea, care se produce în toată masa lichidului, doar la o temperatură bine determinată — temperatura de fierbere.
Punctul cel mai important pentru examen: în timpul unei transformări de stare, temperatura substanței pure rămâne constantă, deși corpul primește sau cedează căldură în continuare. Un amestec de gheață și apă la presiune normală rămâne la 0 grade Celsius până când se topește ultimul bob de gheață. Căldura primită nu crește temperatura, ci rupe legăturile dintre particule. Această căldură se numește căldură latentă.
Formule: la topire, Q = λ·m (λ = căldura latentă specifică de topire); la vaporizare, Q = λv·m.
De aici confuzia clasică: „dacă încălzesc mai tare apa care fierbe, se face mai fierbinte”. Fals — apa care fierbe la presiune normală stă la 100 de grade Celsius; flacăra mai mare doar o face să fiarbă mai repede, adică produce vapori mai repede.
Temperatura este mărimea fizică ce măsoară gradul de agitație termică al particulelor: cu cât particulele se mișcă mai repede, cu atât temperatura e mai mare. Nu confunda temperatura cu căldura — temperatura este o stare a corpului, căldura este o energie transferată între corpuri.
În practică folosim scara Celsius, cu două repere: temperatura de topire a gheții (0 grade Celsius) și temperatura de fierbere a apei (100 de grade Celsius), la presiune atmosferică normală.
În Sistemul Internațional se folosește însă scara Kelvin, cu unitatea kelvinul (K). Punctul ei de plecare este zero absolut, temperatura la care agitația termică ar fi minimă — o limită de jos care nu poate fi atinsă. Legătura dintre scări:
Atenție la două capcane de punctaj. Prima: nu se scrie niciodată „grade kelvin”, ci doar kelvin; simbolul e K, fără semnul de grad. A doua: o diferență de temperatură are aceeași valoare numerică în ambele scări — o creștere de 20 de kelvini este tot o creștere de 20 de grade Celsius, pentru că scările sunt doar decalate, nu și scalate diferit.
În toate formulele legilor gazelor se folosește obligatoriu temperatura absolută, în kelvini. Dacă introduci grade Celsius, rezultatul e greșit din start.
Starea unui gaz este descrisă de trei mărimi: presiunea p, volumul V și temperatura absolută T. Dacă una dintre ele rămâne constantă, între celelalte două există o lege simplă.
Transformarea izotermă (T constantă) — legea Boyle-Mariotte: p·V = constant, adică p1·V1 = p2·V2. Dacă strângi gazul la jumătate de volum, presiunea se dublează. Presiunea și volumul sunt invers proporționale. Graficul p în funcție de V este o hiperbolă.
Transformarea izobară (p constantă) — legea Gay-Lussac: V/T = constant, adică V1/T1 = V2/T2. Volumul și temperatura absolută sunt direct proporționale. Graficul V în funcție de T este o dreaptă care, prelungită, trece prin originea axelor (adică prin zero absolut).
Transformarea izocoră (V constant) — legea lui Charles: p/T = constant, adică p1/T1 = p2/T2. Presiunea crește direct proporțional cu temperatura absolută. De asta o butelie închisă lăsată la soare devine periculoasă.
Cele două greșeli care costă cel mai des puncte: (1) se folosesc grade Celsius în locul kelvinilor — la izobară și izocoră rezultatul devine complet fals; (2) se confundă izobar cu izocor. Ține minte prin cuvinte: baros înseamnă greutate, presiune → izobar = presiune constantă; choros înseamnă spațiu, loc → izocor = volum constant.
Cele trei legi de mai sus sunt cazuri particulare ale unei singure relații. Dacă un gaz trece dintr-o stare în alta fără să piardă sau să câștige particule, atunci:
(p1·V1)/T1 = (p2·V2)/T2
Aceasta este ecuația generală a transformărilor unui gaz. Verifică singur: dacă T1 = T2, temperaturile se simplifică și rămâne p1·V1 = p2·V2, adică legea izotermei. Dacă p1 = p2, rămâne V1/T1 = V2/T2. Este exact motivul pentru care nu trebuie memorate trei formule separate — una singură le conține pe toate.
Forma completă, cu cantitatea de substanță, este p·V = ν·R·T, unde ν este numărul de moli, iar R este constanta gazelor ideale (aproximativ 8,31 J/(mol·K)).
Prin gaz ideal înțelegem un model simplificat: particule considerate punctiforme, între care nu există forțe de atracție, iar ciocnirile sunt perfect elastice. Niciun gaz real nu respectă exact acest model, dar gazele obișnuite, la presiuni mici și temperaturi departe de lichefiere, se comportă foarte aproape de el.
Regula de aur la rezolvare: transformă întâi toate temperaturile în kelvini, apoi verifică dacă presiunile și volumele sunt exprimate în aceleași unități în ambele stări. Nu e obligatoriu să folosești unități din SI pentru p și V într-un raport, dar trebuie să fie aceleași la stânga și la dreapta.
Energia internă (U) a unui corp este suma energiilor cinetice ale tuturor particulelor sale (agitația termică) și a energiilor lor potențiale de interacțiune. Nu confunda energia internă cu energia mecanică a corpului: o cărămidă care zboară prin aer are energie cinetică mare, dar asta nu spune nimic despre cât de caldă este.
Căldura (Q) nu este o proprietate pe care un corp „o are”. Căldura este energie în tranzit — energia care trece de la corpul mai cald la cel mai rece, atât timp cât între ele există o diferență de temperatură. Când temperaturile devin egale, transferul încetează: corpurile au ajuns în echilibru termic. Se măsoară, ca orice energie, în jouli (J).
Pentru o încălzire fără schimbare de stare:
Q = m·c·(t2 − t1)
unde c este căldura specifică — energia necesară pentru a încălzi 1 kg de substanță cu 1 grad. Apa are o căldură specifică foarte mare (aproximativ 4185 J/(kg·K)), de aceea marea se încălzește greu vara și se răcește greu toamna.
Două formulări greșite frecvent penalizate: „corpul conține multă căldură” (corect: conține energie internă; primește sau cedează căldură) și „temperatura se transmite de la un corp la altul” (corect: se transmite energia, sub formă de căldură; temperatura doar se egalizează).