Transformari de stare

TRANSFORMĂRI DE STARE DE AGREGARE




Dupa cum se cunoaste din capitolele precedente, substantele sunt clasificate, dupa starea lor de agregare, în solide, lichide si gaze. În conditii normale unele substante se gasesc în stare solida: fierul, plumbul, sticla, etc, altele în stare lichida: apa, alcoolul, benzina, altele înstare gazoasa: aerul, oxigenul, metanul etc.

Se cunoaste foarte bine ca unele substante pot fi trecute usor dintr-o stare în alta: evaporarea si condensarea apei; topirea si solidificarea unei bucati de plumb. Se pune întrebarea: oare toate substantele pot fi trecute în alte stari decât cele normale?

Daca analizam structurile interne ale starilor si miscarile moleculare ce au loc în substante, constatam ca între diferite stari ale substantei exista deosebiri dar si asemanari. Dupa cum se stie, în solide exista o asezare ordonata a atomilor în structuri regulate pe întinderi mari care sunt stabile în timp, la lichide atomii prezinta structuri ordonate pe întinderi mici (ordine locala) si pe durate scurte, la gaze nu exista nici-o ordine. Din punct de vedere al miscarilor moleculare, se stie ca la solide miscarea este

redusa la mici vibratii, la lichide apar pe lânga vibratii si mici miscari de translatie, iar la gaze predomina miscarile de translatie.

Se ajunge la concluzia ca daca prin diverse metode se activeaza atomii sau moleculele unui solid, încât sa execute miscari ample, se poate trece la o faza lichida sau chiar gazoasa. Invers, daca miscarea moleculelor unui gaz se reduce, se poate ajunge la faza lichida sau solida. Singura problema care se pune este cât de dure sunt conditiile ce trebuiesc create pentru a putea realiza trecerea de la o faza la alta.

Cunoastem ca este suficient sa încalzim usor o cana cu apa pentru ca aceasta sa se evapore sau este suficient sa reducem temperatura sub 0oC pentru ca apa sa înghete. Nu acelasi lucru putem spune despre topirea unei bucati de bazalt sau de lichefierea aerului.

În anul 1869, fizicianul irlandez Thomas Andrews a reusit, prin racirea si comprimarea concomitenta a bioxidului de carbon, sa-l transforme din stare gazoasa în stare lichida (lichefiere).El a efectuat o serie de comprimari izoterme ale bioxidului de carbon si a constatat ca daca temperatura gazului este mai mare decât 31oC, gazul

respecta legea Boylle-Mariotte. pVTc Daca temperatura gazului este mai mica de 31oC, se constata ca prin comprimarea gazului, la un moment dat încep sa apara picaturi de lichid, iar presiunea ramâne aproximativ constanta desi volumul se micsoreaza.

Din graficele transformarilor izoterme se trag urmatoarele concluzii: seobtine fenomenul de lichefiere numai daca temperatura este mai mica decât o temperatura Tc,

specifica substantei, respectiv o presiune pc numita presiune critica. Cu cât temperatura gazului este mai mica cu atât presiunea de lichefiere este mai mica, si este mai comod de lichefiat gazul.

În procesele de transformari de faza este importanta energia care se schimba prin absorbtie sau cedare de caldura, pentru a modifica starea cinetico-moleculara si structura interna a substantei. În majoritateacazurilor energia pusa în joc este sub forma de caldura.







Este evident ca la trecerea directa dintr-o stare în alta si la trecerea inversa

se pune în joc aceeasi caldura cedata sau absorbita.

Întrucât în timpul transformarilor de faza temperatura substantei ramâne constanta, caldura pusa în joc se numeste caldura ascunsa sau caldura latenta care depinde de cantitatea de substanta si de tipul substantei. Se defineste caldura latenta specifica, ca fiind caldura necesara unitatii de masa pentru a o transforma în alta stare, la temperatura constanta:

Caldura latenta specifica este o marime care depinde de substanta care

sufera transformarea de faza, fiind aproximativ independenta de alte

marimi.

ë =Qm


TOPIREA sI SOLIDIFICAREA

Topirea este fenomenul de trecere a unui corp din faza solida în faza lichida iar solidificarea este transformarea inversa.

Din punct de vedere a modului cum are loc topirea distingem doua tipuri:

-topirea corpurilor amorfe care se produce printr-o înmuiere treptata a corpului pâna se ajunge la faza lichida: sticla, ceara, smoala etc.

-topirea corpurilor cristaline (topirea neta) se produce prin trecerea brusca în faza lichida la o temperatura bine precizata: metalele, gheata etc.

Topirea neta respecta urmatoarele legi:

a) La o presiune data, topirea are loc întotdeauna la aceeasi temperatura, numita temperatura de topire, care este o caracteristica a substantei.

b) În tot timpul topirii temperatura substantei ramâne constanta.

c) Temperatura de topire este influentata de presiunea la care este supusa substanta.

Experienta lui Tyndal arata ca temperatura de topire a ghetii poate fi mult

mai mica decât 0oC. Firul de otel, sub actiunea greutatii, creaza o presiune apreciabila asupra ghetii topind gheata de sub el. Apa rezultata se ridica deasupra firului si îngheata. Astfel, firul de otel traverseaza blocul de gheata care în final este (aparent) ca la început.

d) În timpul topirii volumul substantei se modifica. Exista substante al caror volum scade în urma topirii: apa, fonta, argintul, bismutul, dar majoritatea substantelor îsi maresc volumul prin topire. Se cunoaste foarte bine ca apa care îngheata într-o sticla o sparge deoarece în timpul solidificarii apei volumul acesteia creste. Daca se toarna într-o eprubeta parafina topita, dupa solidificare se constata ca nivelul acesteia a scazut. În industrie trebuie sa se ia în consideratie variatia volumului la solidificare pentru a nu se obtine piese mai mici în urma turnarii metalelor în forme (metalurgie)

e) Caldura acceptata de substanta în timpul topirii are aceeasi valoare cu

cea cedata de aceeasi substanta în timpul solidificarii:

Qtop=Qsol

Temperatura de topire poate fi modificata prin realizarea unor aliaje deconcentratii bine definite, astfel, aliajul de plumb si cositor are temperatura de topire mai mica decât a fiecarui metal.

VAPORIZAREA sI CONDENSAREA

Fenomenul prin care o substanta lichida este transformata în faza gazoasase numeste vaporizare. Substanta lichida care a fost transformata în faza gazoasa se prezinta sub denumirea de vapori. Procesul de trecere al vaporilor în lichid se numeste condensare iar procesul de transformare a unui gaz în lichid se numeste lichefiere.

VAPORIZAREA ÎN VID

Daca printr-un procedeu oarecare se creaza deasupra unui lichid un vid înaintat, se constata ca are loc o vaporizare a lichidului în acel spatiu. Într-un vas cu mercur se introduc mai multe tuburi barometrice cu gura în jos. Evident ca mercurul coboara în tub pâna se echilibreaza presiunea atmosferica, (1) coloana de mercur având aproximativ înaltimea de 760mm iar deasupra mercurului în camera barometrica se creaza vid. Cu ajutorul unei pipete curbate se introducîn tubul 2 pe rând, picaturi de eter. Se constata ca picaturile urca spre suprafata mercurului, sevolatilizeaza(se vaporizeaza instantaneu) si nivelul mercurului coboara. Cu cât cantitatea de

eter întrodusa este mai mare (3) cu atât mercurul coboara mai mult. Se trage concluzia ca vaporii de eter creaza o presiune asupra mercurului.Pentru cantitati mari de eter se constata ca eterul nu se mai volatilizeaza (4) si nivelul mercurului este aproximativ

acelasi (5) indiferent de cantitatea de eter introdusa în camera. Se spune ca vaporii au devenit saturanti si sunt în echilibru cu lichidul care s-a vaporizat. Presiunea creata de astfel de vapori se numeste presiunea vaporilor saturanti, care are o serie de proprietati:

1) depinde de natura substantei lichide care se vaporizeaza;

2) nu depinde de cantitatea de lichid si de cea a vaporilor;

3) este functie directa de temperatura vaporilor;

4) are valoarea maxima pe care o pot realiza vaporii.

Analizând dinamica procesului de vaporizare se trage usor concluzia ca, pentru ca o substanta lichida sa se vaporizeze, este necesr ca sa se absoarba caldura. Acest lucru se poate realiza prin comunicare de caldura de la un alt corp sau sa se ia caldura chiar de la propriul lichid, ducând la racirea acstuia, fenomen cunoscut în practica si uneori chiar utilizat în realizarea temperaturilor joase.


FIERBEREA

Fierberea este procesul de vaporizare în întreaga masa a lichidului, vaporii se formeaza oriunde în interiorul lichidului. Prin încalzirea treptata a apei din balonul de sticla se pot observa urmatoarele:

a) pe peretii vasului apar mici bule de aer;

b) pe masura ce temperatura creste, bulele se maresc, se desprind de pereti si urca spre suprafata; în straturile superioare unele semicsoreaza si dispar, producând un zgomot, se spune ca apa cânta;

c) la o anumita temperatura (100oC) bulele ajung la suprafata lichidului si din acest moment temperatura ramâne constanta ( a început fierberea).




Explicatia acestor observatii se face astfel: în bulele de aer patrund vaporide lichid care, pe masura ce temperatura creste, creste cantitatea acestora, deci si volumul bulelor pornind spre suprafata. În straturile superioaretemperatura lichidului fiind mai mica determina condensarea vaporilor, fenomen urmat de cresterea temperaturii lichidului. Când lichidul se omogenizeaza termic bulele nu se mai "sparg" în interior, ajung la

suprafata si se declanseaza fierberea propriuzisa. Din acest moment temperatura nu mai creste deoarece întreaga caldura primita de lichid este utilizata pentru vaporizare:

Q=m.ë

Temperatura de fierbere depinde de substanta care se vaporizeaza, dar care poate fi influentata de presiunea vaporilor. Astfel la presiuni mari apa nu fierbe decât la temperaturi ce pot depasi 300oC, fiind utilizata la sterilizarea umeda a ustensilelor medicale (autoclave). Daca presiunea vaporilor este redusa mult, temperatura de fierbere are valoare foarte coborâta putând ajunge la situatia în care apa îngheata în

timp ce fierbe. Aceasta proprietate este utilizata la fierberea fortata la temperaturi mici a unor substante care s-ar descompune la temperature normala de fierbere. Faptul ca fiecare lichid are o temperatura specifica de fierbere si ca în timpul fierberii temperatura lichidului nu creste, este utilizat la distilareafractionata a unui amestec de lichide: distilarea alcoolului, distilarea petrolului etc.


EVAPORAREA

Fenomenul prin care se realizeaza vaporizarea numai la suprafata libera a lichidului se numeste evaporare. Este cunoscut ca daca se lasa o farfurie cu apa, la temperatura normala, dupa un timp apa dispare din farfurie, zicând ca apa s-a evaporat. Rufele ude daca sunt intinse, dupa un timp se usuca datorita evaporarii apei.

Conditiile care trebuie îndeplinite pentru a se produce evaporarea sunt:

-mediul ambiant sa nu fie saturat cu vaporii lichidului, presiunea vaporilor existenti p sa fie mai mica decât presiunea de saturatie pm, la acea temperatura;

-presiunea atmosferica H la cel moment sa fie mai mare decât presiunea

de saturatie (H>pm).

Întrucât lichidul se poate evapora mai repede sau mai încet, se defineste

viteza de evaporare ca fiind egala cu masa de lichid ce se evapora în

unitatea de timp:

Viteza de evaporare depinde de urmatoarele marimi:

-este proportionala cu aria suprafetei libere a lichidului;

-este proportionala cu diferenta presiunilor pm-p ;

-este invers proportionala cu presiunea atmosferica H de deasupra lichidului. unde K este o constanta care depinde de unitatile de masura alese.

Este evident ca viteza de evaporare depinde de natura lichidului care sevaporizeaza, dar acest lucru este inclus în presiunea pm a vaporilor saturanti. Deasemenea, viteza de evaporare depinde si de viteza aerului de deasupra lichidului, dar aceasta este inclusa în diferenta (pm-p), deoarece daca exista o buna circulatie a aerului va determina o micsorare a cantitatii de vapori de deasupra lichidului si implicit cresterea diferentei

(pm-p).




Se cunoaste din practica ca rufele se usuca mult mai repede, atunci când bate vântul, decât atunci când nu bate. Când este ger deasemenea rufele seusuca repede deoarece cantitatea de vapori din atmosfera este mica.

t

Starea tripla

Echilibrul fazelor se stabileste atunci când doua faze, ale aceleiasi

substante, aflându-se în contact, în aceleasi conditii de presiune si

temperatura, masa fiecarei faze ramâne constanta.

Dependenta dintre presiune si temperatura pentru curbele de-a lungul

carora se realizeaza echilibrul a doua faze se numesc diagrame de stare.

Pentru diagrama de faza lichid-vapori este specifica existenta starii critice

peste care nu este posibila starea de echilibru dintre faza lichida si cea

gazoasa.

Procesul de trecere a substantelor din faza solida direct în faza gazoasa se

numeste sublimare, iar caldura latenta este egala cu suma dintre caldura

latenta de topire si caldura latenta de vaporizare.

În planul p-T exista un singur punct care reprezinta starea unica în care se

afla, în echilibru, toate cele trei faze ale unei substante, solida, lichida si

gazoasa, acest punct reprezinta starea tripla a substantei respective.