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.