Zmeny skupenstva. Sublimácia a desublimácia, vyparovanie, kondenzácia a var.

Sublimácia, desublimácia.

Ak látka mení pevné skupenstvo priamo na plynné bez toho, aby prechádzala kvapalnou fázou, hovoríme o sublimácii. Niektoré látky sublimujú iba pri nízkom tlaku a vysokých teplotách (napríklad zinok, kadmium, horčík). Pri normálnom tlaku (101325 Pa) sublimuje ľad, jód, gáfor, či pevný oxid uhličitý (ktorý sa kvôli tomu, že pri normálnom tlaku rovno sublimuje bez kvapalného skupenstva, nazýva aj suchý ľad).

Pri sublimácii sa niektoré častice uvoľnia zo svojej pozície v mriežke a vďaka dostatočnej rýchlosti sa od látky oddelia, čím sa dostávajú do voľného priestoru. Tak vzniká para nad danou látkou. Ak je priestor nad látkou uzavretý, koncentrácia častíc v priestore sa vďaka sublimácii zvyšuje. Čím viac voľných častíc sa v priestore nachádza, tým väčšia šanca, že niektorá z nich je pritiahnutá časticami v mriežke a znova sa naviaže na pevnú látku. Tento proces je opačný, ako sublimácia, nazývame ho desublimácia.

Ak v určitom okamihu je počet častíc, ktorý opustí pevnú látku rovnaký, ako počet častíc, ktorý z okolia desublimujú, dochádza k rovnovážnemu stavu, pričom hovoríme, že pary danej látky sú nasýtené. Koncentrácia látky v priestore sa už nezvyšuje, ale je konštantná. Táto koncentrácia závisí od teploty a tlaku a vieme vyčísliť hodnotu tlaku pár (plynného skupenstva) danej látky, pri danej teplote. Túto závislosť zakresľujeme ako sublimačnú, resp. desublimačnú krivku v p/T diagrame. Ak je priestor nad látkou voľný a častice môžu unikať preč, látka bude sublimovať pri danom tlaku pri rôznych teplotách, nielen pri jednej konkrétnej, ako je to pri topení.

Na grafe vidno sublimačnú krivku pre vodu (ľad a vodná para). Naľavo od sublimačnej krivky sú hodnoty tlaku a teploty, pri ktorých je voda v pevnom skupenstve. Napravo od krivky sú hodnoty tlaku a teploty, pri ktorých je voda v plynnom skupenstve. Napríklad pri tlaku 200 Pa a teplote 220 K je voda vo forme ľadu. Ak by ale pri tom istom tlaku voda zvyšovala svoju teplotu, tak by pri teplote 280 K už bola v plynnom skupenstve. Rovnováha by nastala pri teplote 260 K, kedy voda môže koexistovať v oboch skupenstvách.

Na to, aby látka sublimovala, musí prijať teplo z okolia. Toto teplo nazývame skupenské teplo sublimácie, označujeme $L_{s}$ , a meriame v Jouloch. Je to množstvo tepla, potrebné na to, aby celé teleso sublimovalo. Ak skupenské teplo sublimácie vydelíme hmotnosťou telesa, dostaneme hmotnostné (merné) skupenské teplo sublimácie ( $l_{s}$ ), ktoré hovorí o tom, koľko tepla je potrebné dodať jednému kilogramu látky, na to aby sublimoval. Meriame ho v J / kg.

l_{s} = \frac{L_{s}}{m}

Hmotnostné skupenské teplo sublimácie závisí od látky a teploty. Napríklad pre ľad pri teplote 0 °C je hmotnostné skupenské teplo sublimácie $2,83 \cdot 10^{6} J / kg$ .

Ak látka mení skupenstvo z plynnej priamo na pevnú, hovoríme o desublimácii. Pri desublimácii sa energia uvoľňuje. Množstvo uvoľnenej energie je pri rovnakej teplote a látke rovnaké, ako množstvo energie absorbovanej pri sublimácii. Môžeme povedať, že pre tú istú látku, a pre tú istú teplotu hmotnostné skupenské teplo sublimácie rovnaké, ako hmotnostné skupenské teplo desublimácie.

Vyparovanie, kondenzácia.

Podobne ako pri zmene skupenstva z pevného na plynné, tak aj zmena skupenstva z kvapalného na plynné prebieha pri akejkoľvek teplote. Premene kvapalného skupenstva na plynné hovoríme vyparovanie. Pri vyparovaní sa najrýchlejšie častice kvapaliny uvoľňujú do priestoru, pričom ak je priestor dostatočne veľký, k vyparovaniu dochádza pri akejkoľvek teplote. Ak je priestor uzavretý, časom sa koncentrácia pár zvýši natoľko, že už nedochádza k jej zvyšovaniu, látka vtedy dosiahla nasýtený stav. Zvyšovaniu koncentrácie pár zabraňuje opak vyparovania, čiže kondenzácia.

Kondenzácia je premena plynného skupenstva na kvapalné. V prípade nasýtenej pary je vyparovanie v rovnováhe s kondenzáciou. Rovnaké množstvo častíc, aké sa uvoľní do priestoru (vyparí sa), sa aj vráti do kvapaliny (skondenzuje). Množstvo častíc v priestore je možné popísať tlakom plynu (nasýtenej pary): čím viac častíc, tým vyšší tlak. Pri danej teplote je tlak nasýtenej pary konštantné číslo. Ak sa teplota zvýši, začne prevládať vyparovanie, tlak nasýtenej pary sa zvyšuje. To sa deje iba do okamihu, kým znova nedôjde k rovnováhe medzi vyparovaním a kondenzáciou. Tlak nasýtenej pary pri vyššej teplote bude znova konštantný, ale vyšší, ako pri stave nasýtenej pary pri nižšej teplote.

Závislosť medzi teplotou a tlakom nasýtenej pary znázorňuje krivka, ktorú nazývame krivka vyparovania, prípadne krivka nasýtenej pary. Na x-ovú os sa vynáša teplota, na y-ovú os sa vynáša tlak. Naľavo od krivky sa nachádzajú hodnoty, pri ktorých je látka v kvapalnom skupenstve, napravo sú hodnoty, pri ktorých je látka v plynnom skupenstve. Hodnoty na krivke zodpovedajú hodnotám tlaku nasýtenej pary pri danej teplote. Látka koexistuje pri týchto hodnotách aj v plynnom aj v kvapalnom skupenstve.

Pri vyparovaní látka teplo prijíma (podobne ako pri sublimácii). Toto teplo nazývame skupenské teplo vyparovania, označujeme $L_{v}$ , a meriame v Jouloch. Je to množstvo tepla, potrebné na to, aby sa celá kvapalina vyparila. Ak skupenské teplo vyparovania vydelíme hmotnosťou kvapaliny, dostaneme hmotnostné (merné) skupenské teplo vyparovania ( $l_{v}$ ), ktoré hovorí o tom, koľko tepla je potrebné dodať jednému kilogramu kvapaliny, na to aby sa vyparila. Meriame ho v J / kg.

l_{v} = \frac{L_{v}}{m}

Hmotnostné skupenské teplo vyparovania závisí od látky a teploty. Napríklad pre vodu pri teplote 55 °C je hmotnostné skupenské teplo vyparovania $2,37 \cdot 10^{6} J / kg$ . Pri teplote 75 °C je to len $2,32 \cdot 10^{6} J / kg$ . Pri teplote 100 °C to je $2,26 \cdot 10^{6} J / kg$ .

Opakom vyparovania je kondenzácia. Pri kondenzácii sa mení plynné skupenstvo na kvapalné. Teplo sa pri tomto procese uvoľňuje. Pri rovnakej teplote je pre rovnakú látku hmotnostné skupenské teplo kondenzácie rovnaké, ako hmotnostné skupenské teplo vyparovania.

Aby látka v plynnom stave prešla do stavu kvapalného, čiže skondenzovala, potrebuje, aby sa jednotlivé častice začali zhlukovať. Väčšinou sa tak deje okolo drobných nečistôt v plyne alebo prachových telesách. Tieto čiastočky, okolo ktorých plyn začne kondenzovať a vytvárať kvapky, nazývame kondenzačné jadrá.

Pri vyparovaní častice (tie najrýchlejšie) opúšťajú kvapalinu z voľného povrchu. Ak chceme vyparovanie urýchliť, tak je potrebné zväčšiť plochu povrchu. Napríklad mláka sa vyparí skôr, ako otvorená fľaša vody, hoci by množstvo vody bolo v oboch prípadoch rovnaké.

Špeciálnym prípadom premeny kvapaliny na plyn je var. Var nastáva vtedy, keď teplota kvapaliny je rovnaká ako teplota nasýtenej pary pri vonkajšom tlaku. Vtedy sa para vytvára nielen na povrchu nádoby, ale v celom objeme. Vznikajú bubliny tvorené plynom danej látky. Var je teda jav, pri ktorom látka mení svoje skupenstvo z kvapalného na plynné v celom svojom objeme. Ak pri vretí kvapaliny pokračujeme v dodávaní tepla, látka už ďalej nezvyšuje svoju teplotu, ale dodané teplo spotrebováva na premenu skupenstva.

Bubliny pary pri vretí na vytvorenie potrebujú kus nečistoty, alebo drsnejší povrch. Podobne, ako sme to spomínali pri kondenzačných jadrách. Ak je látka čistá, môže dôjsť k situácii, že má vyššiu teplotu, ako je príslušná teplota varu pri danom tlaku a stále nevrie. Hovoríme o prehriatej kvapaline.