Transcript: Transformări de stări de agregare. Vaporizarea, fierberea. Căldură latentă.

În ceea de-a 14-a lecție de termodinamică
vom discuta despre transformările
stărilor de agregare,
în particular despre vaporizare și fierbere.
Să introducem întâi stările de agregare.
Ele sunt întâlnite în experiența noastră cotidiană
și sunt următoarele, solidă, lichidă și gazoasă.
Acestea sunt cele trei principale stări de agregare
despre care vom discuta în termodinamică.
Există o a patra stări de agregare, numită plasma,
care este starea materiei din soare sau din stele.
Spre exemplu, în această imagine
vedeți cele trei stări de agregare ale apei
și anume starea solidă sub forma acestor bucăți de gheață,
starea lichidă în care plutesc bucățile de gheață
și starea de vapor,
care este la suprafața lichidului.
Această clasificare a stărilor de agregare,
solidă, lichidă și gazoasă,
se face pe baza raportului
dintre energia cinetică medie
a moleculilor din substanță
și adâncimea gropii de potențial
a interacției dintre aceste molecule.
Despre această clasificare
și discuția asociată clasificării stărilor de agregare
s-a discutat în cea de-a doua lecție
de teorie cinetico-moleculară,
pe care vă invit să o revizuiți.
Se numește faza unui sistem, o regiune,
într-o anumită stare de agregare,
una din acestea trei,
separată de celelalte faze ale sistemului
prin suprafețe clar delimitate.
În particular, în această imagine,
putem identifica ușor
suprafețele de separare
dintre apă lichidă, solidă
și apă în stare de vapori.
Acestea sunt, în consecință,
cele trei faze ale acestui sistem.
Echilibrul de fază
între fazele aceleiași substanțe
aflate în contact
se obține atunci când masa fiecare faze
este constantă în timp.
În alte cuvinte,
atunci când putem spune că nu mai există
transfer de substanță
între fazele sistemului.
Spre exemplu, când nu mai există transfer de substanță
între lichid și solid, lichid și gheață,
la fel de substanță.
Am discutat despre vapori.
Vapori de apă în cazul acestei imagini.
Vaporii nu sunt o stare de agregare în sine.
Deci, vaporii nu sunt nici lichid, nici gazos
ca substanță, ca stare de agregare a substanței,
ci sunt mai degrabă o stare de tranziție
între fazele lichidă și gazoasă.
Vaporii au atât proprietăți lichide,
spre exemplu, sunt vizibili,
substanțele în stare de agregare gazoasă
nu sunt vizibile,
dar și proprietăți specifice gazului.
Spre exemplu, moleculele de vapori
sunt libere,
nu există forțe de interacție semnificativă
între ele și, în consecință,
se expandează în volum foarte rapid,
ceea ce este o proprietate specifică gazelor.
Deci, vaporii sunt o stare de tranziție
între lichide și gaze.
Și, în final, transformările de stare de agregare
în mod evident se definesc
ca trecerile substanței
dintr-o stare de agregare între alte.
Deci, o transformare de stare de agregare
ar fi tranziția sau transformarea apei
din starea lichidă în cea gazoasă
sau solidă.
Vaporizarea este
tranziția
lichidului în stare
de gaz și, în particular,
vaporii sunt starea intermediară
a substanței pe care o găsim
în timpul acestei tranziții sau transformări.
Experimental s-a măsurat viteza de vaporizare
a unui lichid și s-a obținut
această ecuație în care
k este o constantă
ce depinde de temperatura și viteza
atmosferei deasupra lichidului.
S
este suprafața de contact
a lichidului cu atmosfera.
Deci, dacă avem, spre exemplu, un recipient
în care se află
un lichid
și deasupra lichidului vom avea o atmosferă,
bineînțeles.
Constanta k depinde numai de proprietățile atmosferei.
S este suprafața de contact dintre lichid
și atmosfera de deasupra lui.
P0 este presiunea
atmosferică.
Deci, avem P0.
P este presiunea vaporilor
care se formează deasupra lichidului
în timpul vaporizării. Deci, deasupra lichidului
vom vedea această stare
de tranziție numită vapor
pe care am văzut-o și în imaginea precedentă
și P este presiunea lor.
Iar Pm este presiunea maximă a vaporilor saturanți.
Ce sunt vaporii saturanți?
Vaporii saturanți sunt vaporii
aflați în echilibru de fază cu lichidul
din care provin. Echilibrul de fază,
vă reamintesc, este starea în care nu mai are loc
schimbul de substanță între două faze.
Deci, vaporii saturanți sunt
vaporii care nu mai comunică cu lichidul
în sensul schimbului de substanță.
Presiunea vaporilor
saturanți este presiunea maximă la care pot
ajunge vaporii și ea depinde
doar de temperatura lichidului și de natura lichidului.
Nu depinde, spre exemplu, de proprietățile
atmosferice. P0
sau temperatura și viteza atmosferică.
Din această ecuație putem trage
câteva concluzii importante. Prima este că
vaporizarea încetează când
vaporii, mai exact presiunea
lor ajunge egală cu presiunea maximă.
Ceea ce e un alt fel de a
spune că vaporii devin saturanți. Deci viteza
egal cu 0 de vaporizare, ceea ce înseamnă
că vaporizarea încetează. De asemenea,
putem observa că vaporizarea în vid
este instantanee. Prin vaporizare
în vid, înțelegem că recipientul
nostru cu lichid este închis într-o incintă
în care
creăm starea de vid. Sau
mai specific, o stare
în care presiunea atmosferică este extrem de scăzută
aproape 0. În acest
caz, bineînțeles, P0 este 0 și deci
din formulă vedem că viteza devine infinită.
Deci vaporizarea în vid e instantanee.
Vaporizarea în atmosferă limitată
e lentă, dar încetează la aceiași
presiune maximă. Atmosferă limitată
sau limitată înseamnă
faptul că lichidul
care se vaporizează se află într-o incintă
dar de data aceasta nu avem vid
în incintă ci o anumită atmosferă.
În acest caz, nu mai avem bineînțeles o viteză
infinită de vaporizare ci o anumită valoare
finită, dar putem spune
din formulă că
deși vaporizarea e mai lentă
încetarea ei va avea loc în același moment
și anume când vaporizi saturanți ating
această valoare maximă.
Și în fine, numim evaporare
vaporizarea în atmosferă nelimitată, adică
în care nu există o astfel de incintă
în care lichidul să se evapore sau să se
vaporizeze, sau dacă ea
există, este mult mai mare
în volum decât volumul lichidului.
În acest caz, vaporizarea
nu se poate încheia pentru că
vaporii nu pot atinge valoarea maximă
a presiunii, ei nu pot deveni saturanți.
Și deci, în consecință, evaporarea
definită în acest fel este o vaporizare
care nu poate înceta, deci va continua până când
tot volumul de lichid se evaporă.
Fierberea este tipul particular
de vaporizare ce are loc în toată
masa lichidului, și anume prin
apariția unor bule de vapori în volumul
lichidului. Deci, e o vaporizare
ce are loc nu numai la suprafață, dar
în volumul lichidului. Legile fierberii sunt următoare.
Prima lege spune că
temperatura de fierbere depinde doar
de presiunea externă și de natura lichidului.
Deci, temperatura de fierbere e o funcție
de această presiune pentru
un lichid dat. Această presiune externă
e dată de presiunea vaporilor saturanți.
Fierberea, conform cele de-a treia legi,
are loc cu absorție de căldură la
temperatură constantă. Aceasta este un
tip cu totul nou de căldură. Până acum
căldura era proporțională cu
variația de temperatură. Dacă vă aduceți
aminte, am definit căldura
ca fiind o constantă
mulțită cu delta T.
Și, în general, căldura este o măsură
a variației de temperatură a unui
sistem termodinamic. În cazul
tranzițiilor între stări de agregare,
deși avem absorție de căldură
pentru ca aceste tranziții sau transformări să aibă
loc, temperatura rămâne constantă.
În concluzie avem de-a face cu un tip cu totul nou
de căldură. Deci, căldura
primită în timpul fierberii se va numi
căldura latentă de vaporizare și
nu va mai depinde de temperatură
sau variația de temperatură, tocmai pentru că aceasta este
constantă, deci nu avem variație de temperatură, ci va depinde
de masa lichidului care fierbe
care va fi mulțită cu o constantă. Această constantă
notată cu λv de la vaporizare
se numește
căldura latentă specifică de vaporizare
și este o constantă de material, adică
fiecare lichid are o valoare pentru acest λv.
Numele de latent vine
de la această proprietate a căldurii
în timpul transformărilor
de fază sau de stare de agregare
de a nu se produce cu variație
de temperatură. Deci, într-un fel, căldura
ascunsă care nu se manifestă prin variație de temperatură.
Transformările de stare de agregare
sunt reversibile. Aceasta înseamnă că
procesul invers fierberii, care este
condensarea unui gaz într-un lichid
se va petrece
cu aceeași căldură
schimbată, dar în acest caz avem un semn
minus pentru că la condensare sistemul
cedează căldură
pe când la fierbere sistemul
primește căldură, dar
valoarea acestui transfer de căldură, fie că este
primită, fie că este cedată,
e aceeași. Faptul că
prin condensare
sistemul cedează căldură
o știm din experiența cotidiană
spre exemplu transpirația
este transformarea lichidului în gaz
ceea ce se face cu
absorție de căldură
dinspre piele, spre stratul
de transpirație și în felul acesta pielea se răcește
Din această egalitate
a căldurilor
schimbate în cele două
transformări de stare de agregare rezultă că
căldurile latente specifice vor fi
egale între cele două procese de vaporizare
și condensare, și în general
între transformările de stare de agregare reversibile.
Modelul gazului ideal
nu e corect
nici pentru lichid, nici pentru vaporii saturați
după cum am discutat din nou
în lecțiile de teorie cinetico-moleculară.
Hai să discutăm
un pic
de ce acest lucru se întâmplă.
Am văzut că
pentru gazul ideal energia internă
se poate scrie ca
numărul de moli mulțită cu
capacitatea
specifică molară la volum constant
mulțită cu temperatura.
Bineînțeles că nu putem calcula variația energiei interne
conform acestei ecuații
care din nou este pentru gazul ideal
deoarece delta U ar fi atunci
proporțional cu delta T.
Bineînțeles, totuși avem
o variație energiei interne când avem o tranziție
de la o stare lichidă la o stare gazoasă
dar ea nu se extrage conform acestei formule
ci mai degrabă folosind
principiul 1 al termodinamicii
care spune că variația energiei interne
este egală cu diferența dintre căldură
și lucru mecanic și deci variația energiei interne
într-o transformare de stare
de agregare va fi egală
cu căldura schimbată adică
masa și căldura latentă specifică
a procesului respectiv minus
lucru mecanic. Dacă
procesul este izobar
atunci lucrul mecanic este P delta V.
Să discutăm
la sfârșitul lecției despre explicația
cinetico-moleculară a transformărilor
de fază sau de stări de agregare.
În contextul discuției despre stările de agregare
din cea de-a doua lecție de teorie cinetico-moleculară
e foarte ușor să înțelegem, spre exemplu,
legile fierberii. Dacă vă aduceți aminte
dacă nu, vă rog să revizuiți acea
lecție, s-a discutat despre
dependența a energiei potențiale de interacție
dintre molecule de distanța dintre
molecule R. Deci acest
EP este energia potențială de interacție
dintre moleculele gazului, în acel caz
și în general ale sistemului
și R este distanța dintre molecule.
Și am văzut că dependența este ceva
de genul acesta. Deci există
o distanță
R0 la care energia potențială
are un minim pe care l-a notat cu
EP0. Și
am văzut că atunci când
distanța dintre molecule R este
aproximativ egală cu R0, atunci
moleculele vor fi legate
legate
însemnând aici că ele nu
se pot mișca liber unele față de altele.
Acestă stare fiind o stare tipică
pentru un lichid. În consecință
dacă distanța dintre molecule
devine mult mai mare decât acest R0
atunci moleculele
devin libere.
Adică se pot mișca
ușor unele față de altele, aceasta fiind o stare
tipică pentru o substanță
aflată în stare gazoasă.
În fine putem înțelege
proprietățile căldurii transferate
lichidului pentru
trecerea lui în stare gazoasă. Această
căldură este o formă
de energie care se transferă
lichidului pentru a scoate
moleculele lui din această așa numită groapă
de potențial. Prezența
molecului la o distanță de
ordinul R0 face ca ele să se afle
într-o groapă de potențial care le menține legate.
Dar dacă furnizăm sistemului
o energie sub formă de căldură
care este de ordinul
numărului de molecule al sistemului
înmulțit cu adâncimea gropii
de potențial, atunci în mod efectiv
ce facem este
scoaterea molecului din aceste legături.
Deci transformarea sistemului
din o stare lichidă
într-una gazoasă. După cum vedem, această
căldură nu
generează o creștere
a energiei cinetice medie. Deci acest
tip de căldură nu este folosit de sistem
pentru a crește energia cinetică medie.
A moleculelor
această energie cinetică medie fiind
proporțională cu temperatura. Deci acest tip
de energie de căldură nu duce
la creșterea temperaturii. În concluzie,
căldura latentă prezentă
în transformările de stare
nu are loc sau nu
induce o variație a temperaturii. Grafica asta
înseamnă că dacă reprezentăm dependența
temperaturii, să zicem în grade Kelvin,
de căldură în juli,
vom observa o
dependență de felul următor.
În stânga avem o stare de agregare 1,
în dreapta avem o stare de agregare 2, spre
exemplu lichid și
gaz. Și pe măsură
ce dăm căldură sistemului,
temperatura lui va crește
până la o anumită temperatură
la care intrăm pe un palier.
Dăm căldura în continuare, deci căldura
crește în continuare a sistemului, dar nu mai
observăm o variație a temperaturii. Pe acest
palier are loc tranziția de fază sau de stare de
agregare. Când ea s-a terminat, deci la o anumită
temperatură, când se termină transformarea,
spre exemplu, lichidului în gaz, obținem
din nou o creștere a temperaturii sistemului
cu căldura care îi este furnizată.
Deci asta înseamnă că din nou
trecem la o generare
de temperatură prin cedarea de căldură sistemului.