Tilatyyppien ja niiden ominaisuuksien muutokset (esimerkkeinä)



valtion muutokset ne ovat termodynaaminen ilmiö, jossa aineen fyysiset muutokset muuttuvat. Sen sanotaan olevan termodynaaminen, koska lämmönsiirto tapahtuu aineen ja ympäristön välillä; tai mikä on sama, on aineen ja energian välisiä vuorovaikutuksia, jotka aiheuttavat hiukkasten uudelleenjärjestelyn.

Hiukkaset, jotka kokevat tilanmuutoksen, pysyvät ennallaan ennen sitä ja sen jälkeen. Paine ja lämpötila ovat tärkeitä muuttujia siinä, miten ne sijoitetaan yhteen tai toiseen vaiheeseen. Kun tilanmuutos tapahtuu, muodostuu kaksivaiheinen järjestelmä, joka koostuu samasta materiaalista kahdessa eri fyysisessä tilassa.

Ylin kuva näyttää materiaalin tärkeimmät tilanmuutokset normaaleissa olosuhteissa.

Mustan aineen kiinteä kuutio voi muuttua nestemäiseksi tai kaasumaiseksi sen ympäristön lämpötilasta ja paineesta riippuen. Itseään se edustaa vain yhtä vaihetta: kiinteää. Mutta sulamisen hetkellä, eli sulamisen aikana, muodostuu kiinteä-neste-tasapaino, jota kutsutaan fuusioksi (punainen nuoli kuution ja sinertävän pudotuksen välillä).

Fuusion aikaansaamiseksi kuution täytyy imeä lämpö ympäristöstään sen lämpötilan lisäämiseksi; siksi se on endoterminen prosessi. Kun kuutio on täysin sulanut, on jälleen kerran vain yksi vaihe: nestemäinen tila.

Tämä sinertävä pudotus voi edelleen imeä lämpöä, mikä lisää sen lämpötilaa ja johtaa kaasumaisiin kuplien muodostumiseen. Jälleen on kaksi vaihetta: yksi neste ja toinen kaasu. Kun kaikki neste on haihtunut kiehumispisteensä läpi, sanotaan, että se on keitetty tai höyrystynyt.

Nyt sinertävät tippat muuttuivat pilviksi. Tähän mennessä kaikki prosessit ovat olleet endotermisiä. Sinertävä kaasu voi edelleen kuumentaa lämpöä; maanpäällisten olosuhteiden vuoksi tämä päinvastoin pyrkii jäähtymään ja tiivistymään uudelleen nesteessä (kondensoituminen)..

Toisaalta pilvet voidaan myös sijoittaa suoraan kiinteään faasiin, muodostaen taas kiinteän kuution (laskeuman). Nämä kaksi viimeistä prosessia ovat eksotermisiä (sinisiä nuolia); eli ne vapauttavat lämpöä ympäristöön tai ympäristöön.

Kondensoitumisen ja laskeuman lisäksi tilanmuutos tapahtuu, kun sinertävä pisara jäätyy alhaisissa lämpötiloissa (jähmettyminen).

indeksi

  • 1 Tilanmuutosten tyypit ja niiden ominaisuudet
    • 1.1 Fuusio
    • 1.2 Höyrystyminen
    • 1.3 Kondensoituminen
    • 1.4 Kiinteytyminen
    • 1.5 Sublimointi
    • 1.6 Saostus
  • 2 Muut tilamuutokset
  • 3 Viitteet

Tilanmuutosten tyypit ja niiden ominaisuudet

Kuvassa on tyypilliset muutokset kolmelle (yleisimmälle) aineen tilalle: kiinteä, nestemäinen ja kaasumainen. Muutokset, joihin liittyy punaisia ​​nuolia, ovat endotermisiä, niihin liittyy lämmön absorptio; kun sininen nuolet ovat eksotermisiä, ne vapauttavat lämpöä.

Alla on lyhyt kuvaus kustakin näistä muutoksista, joissa korostetaan joitakin sen ominaisuuksia molekyyli- ja termodynaamisesta päättelystä.

fuusio

Kiinteässä tilassa hiukkaset (ionit, molekyylit, klusterit jne.) Ovat "vankeja", jotka sijaitsevat kiinteissä avaruusasennoissa ilman, että he voivat liikkua vapaasti. Ne kykenevät kuitenkin värähtelemään eri taajuuksilla, ja jos ne ovat erittäin vahvoja, intermolekulaaristen voimien tiukka järjestys alkaa "murentua"..

Tämän tuloksena saadaan kaksi vaihetta: yksi, jossa hiukkaset pysyvät suljetuina (kiinteät), ja toinen, jossa ne ovat vapaampia (neste), riittävät lisäämään etäisyyksiä, jotka erottavat ne toisistaan. Tämän saavuttamiseksi kiinteän aineen täytyy absorboida lämpöä, ja sen hiukkaset värisevät voimakkaammin.

Tästä syystä fuusio on endoterminen, ja kun se alkaa, sanotaan, että kiinteän ja nestemäisen faasin välinen tasapaino tapahtuu.

Tätä muutosta varten tarvittavaa lämpöä kutsutaan lämpöksi tai fuusion sulavaksi entalpiaksi (AHFUS). Tämä ilmaisee lämpömäärän (energian, pääasiassa kJ: n yksiköissä), jonka täytyy absorboida yksi mooli kiinteää ainetta sulamaan, eikä vain nosta sen lämpötilaa.

lumipallo

Tässä mielessä ymmärrät, miksi lumipallo sulaa kädessäsi (ylhäältä kuva). Tämä imee kehon lämpöä, joka riittää nostamaan lumen lämpötilaa yli 0 ° C.

Lumessa läsnä olevat jääkiteet absorboivat lämmön vain sulamaan ja niiden vesimolekyylit ottavat käyttöön epäsäännöllisemmän rakenteen. Kun lumi sulaa, muodostunut vesi ei lisää sen lämpötilaa, koska lumi käyttää kaiken käden lämpöä fuusion loppuunsaattamiseksi.

höyrystyminen

Jatkamalla esimerkkiä vedestä, nyt sijoittamalla kourallinen lunta pottiin ja valaistaan ​​tulta, havaitaan, että lumi sulaa nopeasti. Kun vesi lämpenee, sisälle muodostuu pieniä hiilidioksidikuplia ja muita mahdollisia kaasumaisia ​​epäpuhtauksia..

Lämpö laajentaa vesimolekyylien epäsäännöllisiä konfiguraatioita laajentamalla sen tilavuutta ja lisäämällä sen höyrynpainetta; sen vuoksi on olemassa useita molekyylejä, jotka poistuvat kasvavasta haihtumispinnasta.

Nestemäinen vesi lisää hitaasti lämpötilaansa korkean ominaislämmön (4,184 J / ° C) vuoksi. Tulee kohta, jossa absorboitunut lämpö ei enää käytä sitä lämpötilan nostamiseen, vaan nestemäisen höyryn tasapainon aloittamiseen; se tarkoittaa, että se alkaa kiehua ja kaikki neste menee kaasumaiseen tilaan samalla, kun se absorboi lämpöä ja pitää lämpötilan vakiona.

Tällöin havaitaan voimakasta kuplittumista keitetyn veden pinnalla (ylempi kuva). Nestemäisen veden absorboima lämpö niin, että sen alkuputkien höyrynpaine on yhtä suuri kuin ulkoinen paine, kutsutaan höyrystymis-entalpiaksi (AHVAP).

Paineen rooli

Paine on myös ratkaiseva valtion muutoksiin. Mikä on sen vaikutus höyrystymiseen? Korkeammalla paineella sitä suurempi lämpö, ​​jonka veden täytyy imeytyä kiehumaan, ja sen vuoksi se höyrystyy yli 100 ° C.

Tämä johtuu siitä, että paineen nousu estää vesimolekyylien poistumista nesteestä kaasufaasiin.

Painekattilat käyttävät tätä seikkaa, jotta ne kuumaisivat ruokaa vedessä kiehumispisteen yläpuolelle.

Toisaalta, kun on tyhjiö tai paineen lasku, nestemäinen vesi tarvitsee alemman lämpötilan keittämään ja siirtymään kaasufaasiin. Kun paine on suuri tai vähäinen, veden kiehumisajankohdan on täytettävä vastaava höyrystymislämpö, ​​jotta se voi muuttua.

kondensaatio

Vesi on höyrystynyt. Mitä seuraavaksi? Vesihöyry voi edelleen lisätä sen lämpötilaa, josta tulee vaarallinen virta, joka voi aiheuttaa vakavia palovammoja.

Oletetaan kuitenkin, että se jäähtyy sen sijaan. Miten? Lämmön vapauttaminen ympäristöön ja lämmön vapauttaminen sanotaan, että eksoterminen prosessi tapahtuu.

Lämpöä vapautettaessa voimakkaasti energiset kaasumaiset molekyylit alkavat hidastua. Myös niiden vuorovaikutukset alkavat olla tehokkaampia höyryn lämpötilan laskiessa. Ensimmäiset vesipisarat muodostuvat, jotka ovat tiivistyneet höyrystä ja joita seuraa suurempia pisaroita, jotka painavat vetovoiman..

Jotta saataisiin tietty määrä höyryä kokonaan, sinun on vapautettava sama energia, mutta vastakkaisella merkillä ΔHVAP; toisin sanoen sen kondensaation entalpia AHcond. Niinpä käänteinen tasapaino, höyry-neste on stabiili.

Kostutetut ikkunat

Kondensoituminen on havaittavissa kotien ikkunoissa. Kylmässä ilmastossa talon sisällä oleva vesihöyry törmää ikkunaan, jonka materiaalin vuoksi on alhaisempi lämpötila kuin muilla pinnoilla.

Siellä on helpompaa, että höyrymolekyylit ryhmittyvät yhteen, jolloin muodostuu ohut valkea kerros, joka on helposti irrotettavissa käsin. Kun nämä molekyylit vapauttavat lämpöä (lämmittämällä lasia ja ilmaa), ne alkavat muodostaa useampia klustereita, kunnes ne voivat tiivistää ensimmäiset pisarat (ylempi kuva).

Kun pisarat lisäävät niiden kokoa hyvin, ne liukuvat ikkunan läpi ja jättävät veden.

kiinteytystä

Mitä muuta fyysistä muutosta voi saada nestemäisestä vedestä? Jähmettyminen johtuu jäähdytyksestä; toisin sanoen se jäätyy. Jäähdyttämiseksi veden täytyy vapauttaa sama määrä lämpöä, jota jää sulaa. Jälleen tätä lämpöä kutsutaan jähmettymisen tai jäätymisen entalpiaksi, AHCong (-ΔHFUS).

Jäähdytettäessä vesimolekyylit menettävät energiaa ja niiden molekyylien väliset vuorovaikutukset vahvistuvat ja suuntaavat. Tämän seurauksena ne tilataan vetysidoksillaan ja muodostavat niin kutsuttuja jääkiteitä. Mekanismi, jolla jääkiteitä kasvaa, vaikuttaa niiden ulkonäköön: läpinäkyvä tai valkoinen.

Jos jääkiteitä kasvaa hyvin hitaasti, ne eivät estä epäpuhtauksia, kuten kaasuja, jotka alhaisissa lämpötiloissa liuotetaan veteen. Täten kuplat ovat pakenevat ja eivät voi olla vuorovaikutuksessa valon kanssa; ja näin ollen jää on yhtä läpinäkyvä kuin poikkeuksellisen jään patsas (ylhäältä kuva).

Sama tapahtuu jään kanssa, se voi tapahtua minkä tahansa muun aineen kanssa, joka jähmettyy jäähdytyksellä. Ehkä tämä on kaikkein monimutkaisin fyysinen muutos maan olosuhteissa, koska voidaan saada useita polymorfeja.

sublimaatio

Voiko veden sublimaatiota? Ei, ainakin ei normaaleissa olosuhteissa (T = 25 ° C, P = 1 atm). Jotta sublimoituminen tapahtuisi, toisin sanoen tilan vaihtuminen kiinteästä kaasuun, kiinteän aineen höyrynpaineen on oltava korkea.

On myös välttämätöntä, että niiden molekyylien väliset voimat eivät ole kovin voimakkaita, edullisesti, jos ne koostuvat vain hajautusvoimista

Merkittävin esimerkki on kiinteä jodi. Se on harmaa-violetti sävyjä sisältävä kiteinen kiinteä aine, jolla on korkea höyrynpaine. Tämä on niin, että sen vaikutuksesta vapautuu violetti höyry, jonka tilavuus ja laajeneminen tulee havaittavaksi kuumennettaessa.

Ylempi kuva näyttää tyypillisen kokeen, jossa kiinteä jodi haihdutetaan lasisäiliössä. On mielenkiintoista ja silmiinpistävää havaita, miten violetit höyryt ovat levinneet, ja aloitettu opiskelija voi tarkistaa nestemäisen jodin puuttumisen.

Tämä on sublimaation pääominaisuus: nestefaasia ei ole. Se on myös endoterminen, koska kiinteä aine absorboi lämpöä höyrynpaineen lisäämiseksi ulkoisen paineen mukaan.

laskeuma

Jodin sublimoitumisen kokeilun rinnalla meillä on laskeuma. Saostuminen on päinvastainen muutos tai siirtymä: aine kulkee kaasumaisesta tilasta kiinteään aineeseen ilman nestefaasin muodostumista.

Kun violetit jodihöyryt joutuvat kosketuksiin kylmän pinnan kanssa, ne vapauttavat lämpöä sen lämmittämiseksi, menettää energiaa ja ryhmittelemällä molekyylit takaisin harmaasävyiseen kiinteään aineeseen (ylhäältä). Se on sitten eksoterminen prosessi.

Saostumista käytetään laajalti sellaisten materiaalien synteesissä, joissa ne on lisätty metalli-atomeihin hienostuneilla tekniikoilla. Jos pinta on hyvin kylmä, lämmönvaihto sen ja höyryhiukkasten välillä on äkillinen, jättämättä läpimenoa vastaavan nestefaasin läpi.

Lämmön tai laskeuman entalpia (eikä laskeuma) on sublimaation käänteinen arvo (ΔHsub= - AHdep). Teoriassa lukuisia aineita voidaan sublimoida, mutta tämän saavuttamiseksi on välttämätöntä manipuloida paineita ja lämpötiloja, ja lisäksi sinun täytyy olla kaavio P vs. T käsillä; jossa sen kaukaiset mahdolliset vaiheet voidaan visualisoida.

Muut tilan muutokset

Vaikka niistä ei mainita, on muitakin asiaa. Joskus heille on ominaista, että heillä on "vähän jokaisesta", ja siksi ne ovat niiden yhdistelmä. Niiden tuottamiseksi paineita ja lämpötiloja on käsiteltävä hyvin positiivisilla (suurilla) tai negatiivisilla (pienillä) suuruuksilla.

Näin ollen esimerkiksi, jos kaasuja kuumennetaan liikaa, ne menettävät elektroninsä ja niiden positiivisesti varautuneet ytimet siinä negatiivisessa vuorovesissä, mitä kutsutaan plasmaksi. Se on synonyymi "sähkökaasulle", koska sillä on suuri sähköjohtavuus.

Toisaalta, kun lämpötila laskee liikaa, aine voi käyttäytyä epäilemättä; toisin sanoen niillä on ainutlaatuisia ominaisuuksia absoluuttisen nolla-arvon (0 K) ympärillä.

Yksi näistä ominaisuuksista on superfluiditeetti ja suprajohtavuus; samoin kuin Bose-Einsteinin kondensaattien muodostumista, joissa kaikki atomit käyttäytyvät yhtenä.

Jopa jotkut tutkimukset viittaavat fotoniikkaan. Niissä elektromagneettisen säteilyn hiukkaset, fotonit, on ryhmitelty muodostamaan fotonisia molekyylejä. Toisin sanoen, se olisi antanut massan valoelimille teoreettisesti.

viittaukset

  1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19. marraskuuta 2018). Luettelo vaiheiden muutoksista valtioiden välillä. Haettu osoitteesta thinkco.com
  2. Wikipedia. (2019). Aineen tila Haettu osoitteesta: en.wikipedia.org
  3. Dorling Kindersley. (2007). Muuttuvat tilat. Haettu osoitteesta factmonster.com
  4. Meyers Ami. (2019). Vaihemuutos: Haihdutus, kondensoituminen, jäätyminen, sulaminen, sublimointi ja laskeutuminen. Tutkimus. Haettu osoitteesta study.com
  5. Bagley M. (11. huhtikuuta 2016). Aine: Määritelmä ja aineen viisi valtiota. Haettu osoitteesta livescience.com
  6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemia. (8. painos). CENGAGE Learning.