Zmeny skupenstva. Topenie a tuhnutie.

Topenie

Ak sa pevná látka mení na kvapalnú, hovoríme, že sa topí. Na to, aby sa mohla pevná látka topiť, potrebuje prijať energiu, a tú získava vo forme tepla. Dodaná energia zvyšuje kinetickú energiu častíc, takže tie postupne prekonávajú väzby medzi sebou a pevná štruktúra sa mení na voľnú.

Skupenské teplo topenia

Množstvo energie, ktoré musí pevné teleso prijať, aby zmenilo svoje skupenstvo na kvapalné, sa nazýva skupenské teplo topenia. Označujeme ho $L_{t}$ a meriame v Jouloch. Závisí od materiálu, z ktorého je teleso vyrobené a tiež od hmotnosti telesa. Pre každé teleso je preto táto hodnota iná.

Pre látky používame veličinu hmotnostné (merné) skupenské teplo topenia, ktorú označujeme $l_{t}$ . Hmotnostné skupenské teplo topenia vyjadruje, koľko Joulov tepla treba dodať jednému kilogramu látky na to, aby sa roztopil.

Napríklad pre vodu (ľad) je hmotnostné skupenské teplo topenia $3,34 \cdot 10^{3} J \cdot {kg}^{- 1}$ . Pre železo je to $2,79 \cdot 10^{3} J \cdot {kg}^{- 1}$ a pre olovo $0,23 \cdot 10^{3} J \cdot {kg}^{- 1}$ .

Potom platí:

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

Teplota topenia

Ak skupenstvo mení kryštalická látka, tak topenie nastáva pri jednej špecifickej teplote. Túto teplotu nazývame teplotou topenia a pre rôzne látky je rôzna. Teplota topenia tiež závisí od okolitého tlaku. Pre väčšinu látok sa teplota topenia so zvyšujúcim tlakom zvyšuje. Ale pre niektoré sa teplota topenia s rastúcim tlakom znižuje. Takou látkou je napríklad voda.

Ak skupenstvo mení amorfná látka, tak topenie nastáva v určitom rozmedzí teplôt, napríklad pre parafín je to 38 °C až 56 °C. Pre sklo 1450 – 1550 °C a pre asfalt 140 – 170 °C. Príčinou je to, že vďaka náhodnému usporiadaniu častíc sú niektoré častice vzdialenejšie a väzba medzi nimi je slabšia, takže potrebujú menej kinetickej energie na jej prekonanie, ale iné sú bližšie a potrebujú dodať viac energie.

Zmena objemu pri topení

Pri zmene skupenstva sa mení aj objem látky a teda aj hustota. Pre väčšinu látok sa topením objem zvyšuje (tie pre ktoré teplota topenia s rastúcim tlakom rastie). Napríklad pri topení olova dochádza k relatívnemu zväčšeniu objemu o 3,4 %. Výnimkou je spomínaná voda (ľad), ale aj bizmut, či germánium. Tie pri topení svoj objem znižujú. Voda napríklad až o 9 %.

Zmena teploty pri topení

Nižšie znázornený graf znázorňuje zmenu teploty 100 g ľadu (vody) pri konštantnom dodávaní tepla. A podobný graf pre 100 g parafínu. Keďže ľad je kryštalická látka, počas topenia sa teplota nemení (vodorovná časť grafu), zatiaľ čo pri parafíne teplota rastie aj počas topenia.

Tuhnutie

Opakom topenia je tuhnutie. Tuhnutie nastáva, keď sa kvapalná látka mení na pevnú. Ak sa látka topí pri určitej teplote, tak potom aj tuhne pri rovnakej teplote. Teplota topenia a teplota tuhnutia sú rovnaké. Rozdiel je len v tom, že pri topení látka teplo spotrebováva, pri tuhnutí ho naopak odovzdáva do okolia. Koľko tepla látka spotrebuje pri topení, toľko následne uvoľní pri tuhnutí. Takže skupenské teplo topenia a tuhnutia pre to isté teleso je rovnaké. Rovnako aj hmotnostné skupenské teplo topenia a tuhnutia majú rovnakú hodnotu.

Počas tuhnutia dochádza ku kryštalizácii látky (vytváraniu väzieb medzi časticami). Pritom ale nevzniká pevné skupenstvo okamžite, ale po dosiahnutí teploty tuhnutia začnú vytvárať zhluky častíc vplyvom väzbových síl. K týmto zhlukom sa postupne prichytávajú ďalšie častice. Tieto zhluky nazývame aj kryštalizačné jadrá. V kvapaline takto vznikajú voľne sa pohybujúce kryštály. Keď celá kvapalina stuhne, kryštály sa dotýkajú a sú rôzne orientované. Vznikajú tak zrná polykryštálu.

Ak sa v kvapaline vytvorí len jedno jadro, ku ktorému sa postupne prichytávajú ďalšie častice, až kým celá kvapalina nestuhne, vytvorí sa monokryštál.

Podchladená kvapalina

Ak je látka v kvapalnom stave príliš čistá, môže dôjsť k situácii, že aj napriek dosiahnutiu teploty tuhnutia látky v kvapaline sa nezačnú tvoriť kryštalizačné jadrá a zostane v tekutom stave. Takúto kvapalinu nazývame podchladená kvapalina a môže mať teplotu nižšiu, ako je teplota topenia. Ak do podchladenej kvapaliny vhodíme časticu (napríklad kúsok stuhnutej látky), tak dochádza k okamžitej premene na pevné skupenstvo.

Krivka topenia

Premenu z pevného na kvapalné skupenstvo a opačne aj so závislosťou medzi tlakom a teplotou topenia môžeme znázorniť pomocou krivky topenia. Na vodorovnú os nanášame teplotu v Kelvinoch, na zvislú os tlak. Krivka vykresľuje hodnoty teploty topenia pri rôznych tlakoch. Naľavo od krivky sa nachádzajú hodnoty teploty a tlaku, pri ktorých je látka v pevnom skupenstve, napravo sú hodnoty pre kvapalné skupenstvo. Krivka topenia znázorňuje látku v oboch skupenstvách a súčasne reprezentuje teplotu topenia pri danom tlaku.