Zmiany stanu skupienia ciał w przyrodzie, technice i życiu codziennym

Zamarzanie jest procesem przechodzenia substancji ze stanu ciekłego w stan stały. Podobnym procesem jest proces krzepnięcia, który niekoniecznie odbywa się przy niskiej temperaturze.

Ciekłe żelazo krzepnie w temp. Około 1535 stopni Celsjusza, dlatego można powiedzieć, że w temp. tej metal ten "zamarza" jednak w tym przypadku "zamarznięty niekoniecznie oznacza to samo co "zimny". Temp. zamarzania i wrzenia substancji zależy od ciśnienia. Dlatego nawet w przypadku wody, pojęcia "zamarzania" i "wrzenia" nie muszą odnosić się do potocznie przypisywanych im znaczeń. Woda, np., można wrzeć w temp. pokojowej, jeżeli ciśnienie środowiska w jakim się znajduje zostanie znacznie zmniejszone, a wiec "wrzący" nie oznacza w tym przypadku to samo co "gorący". Nawet przy zwykłym ciśnieniu wiele substancji wrze w bardzo niskiej temp. Należą do nich substancje, o których zwykle myślimy jako o gazach. Tlen i azot, np., stanowią podstawowe składniki powietrza. Przyczyną dla której zwykle występują w formie gazu jest to, że temp. ich wrzenia jest dużo niższa od zera ok. –196 stopni Celsjusza w przypadku azotu i –183 stopnie Celsjusza w przypadku tlenu. Nawet w najzimniejszych rejonach na zmieni temp. jest wyższa od temp. ich wrzenia i dlatego powszechnie występują one w formie gazów. Większość substancji po przejściu do stanu stałego przybiera formę krystaliczną. Na przykład, chlorek sodu (sól kuchenna) tworzy kryształy o sześciennym kształcie.
Ciała stałe mogą powrócić do stanu ciekłego w wyniku podgrzewania, które zwiększa prędkość cząsteczek. Kiedy podgrzewamy ciało stałe w celu jego zamiany w płyn substancja pochłania przekazywane jej ciepło, a jej temp. zaczyna rosnąć. Jednak w momencie topnienia temp. nie podnosi się pomimo,że substancja ciągle absorbuje ciepło. Ciepło potrzebne do stopnienia ciała o jednostkowej masie (bez zmiany temp. ) nazywa się ciepłem topnienia ciała. Dopiero kiedy całe ciało zostanie zamienione w ciecz, temp. ponownie zaczyna rosnąć.

Jeżeli ciekła substancja będzie dalej podgrzewana jej temp. osiągnie poziom wrzenia. Następnie ustali się i pozostanie niezmienna do momentu, kiedy cala substancja zamieni się w gaz. Ciepło konieczne, aby w danej temperaturze i pod określonym ciśnieniem zamienić jednostkową masę cieczy w parę nazywa się ciepłem parowania. Po zamianie w gaz temp. subst. Ponownie zaczyna rosnąc jeżeli dostarczane jest do niej ciepło. Jeżeli gaz będzie pozbawiony ciepła, jego temp. początkowo spadnie.

Następnie, kiedy osiągnie ona poziom wrzenia, gaz odda swoje ciepło parowania i zamieni się w ciecz o tej samej temp. Gdy już cały gaz przejdzie w ciekły stan skupienia, temperatura substancji zacznie spadać proporcjonalnie do ilości oddanego ciepła. Dalsze oziębianie spowoduje stopniowe obniżanie się temp. która w końcu osiągnie poziom zamarzania. Wtedy ciecz zacznie oddawać swoje ciepło topnienia i w tej samej temp. przejdzie w stan stały. Potem gdy już cały płyn zakrzepnie temp. substancji ponownie zacznie się obniżać. Większość substancji rozszerza się w momencie podgrzewania, natomiast kurczy podczas oziębiania. np. rtęć znajdującą się w termometrze, zwiększając swoja obj. Podnosi się, wskazując w ten sposób wzrost temp. jako, że rtęć zamarza w temp. – 39 stopni Celsjusza, nie nadaje się ona do termometrów używanych do pomiaru bardzo niskich temp. Zasadniczo woda także zwiększa swoją obj. W momencie podgrzewania a zmniejsza w chwilach ochładzania. Jednak kiedy zostaje ona ochłodzona z temp. 4 stopnie Celsjusza do temp. 0 stopni Celsjusza jej obj. zwiększa się. Dlatego rury wodociągowe czasami w zimie pękają jako że znajdująca się z w nich woda rozszerza się pod wpływem spadającej temp. Jako, że woda zwiększa swoją obj. W czasie zamarzania, lód – będący stałą formą wody – charakteryzuje się mniejszą gęstością niż woda w stanie ciekłym. Innymi słowy, lód waży mniej niż ciekła woda tej samej obj. Z tego powodu w zimie powierzchnia stawu i jezior pokrywa się wypieraną do góry warstwa lodu. W okolicach koła podbiegunowego zamarznięta woda tworzy góry lodowe, niektóre z nich osiągają bardzo duże rozmiary.

Parowanie jest to proces fizyczny polegający na przechodzeniu cieczy z gaz .Energia dostarczana do cieczy pokonuje siły przyciągania miedzy cząsteczkami . Podczas ogrzewania cieczy jej drobiny - w miarę jak wzrasta ich średnia energia - poruszają się coraz szybciej i oddalają się od siebie. W każdej temperaturze część drobin cieczy ma wystarczająca energie, by pokonać siły przyciągania i oderwać się od powierzchni, tworząc gaz - mówimy wtedy, ze ciecz paruje.
Wielkość parowania wyrażona w mm grubości wody, która wyparowuje w jednostce czasu, zależy od: temperatury otoczenia i ciała parującego, wilgotności powietrza, prędkości jego ruchu i ciśnienia atmosferycznego.

Wzrost temperatury i prędkości wiatru wzmaga parowanie, natomiast wilgotne otoczenie i wysokie ciśnienie osłabiają je.

Szybkość parowania osiąga wartość maksymalną w próżni. Parowanie w całej objętości cieczy określane jest jako wrzenie. Do pomiaru parowania wykorzystuje się ewaporometry. Procesem przeciwnym do parowania jest kondensacja.

Parowanie jest jednym z elementów cyklu hydrologicznego. Np. kiedy zostawimy miskę pełną wody na stole na kilka godzin lub dni zobaczymy,ze po tym upływie czasu nie znajdziemy już w niej żadnej substancji, co będzie świadczyło o wyparowaniu wody.
Szybkość parowania cieczy z jednostki powierzchni wyrażana jest wzorem:
v=(2πmkT)-1/2⋅(p0-p),
gdzie: m – masa molowa cieczy, k – stała Boltzmanna, T - temperatura

Z parowaniem spotykamy się w życiu codziennym, warto wiedzieć np. że przeciętna ilość wody, jaką wyparowuje drzewo podczas letniego dnia wynosi od 100 do 450 litrów. Duży klon srebrzysty może stracić nawet 300 litrów wody w ciągu jednej godziny w słoneczne, gorące popołudnie. Jeśli ta ilość wody nie zostanie uzupełniona poprzez system korzeniowy, liście drzewa zaczną więdnąć.

Kolejną ciekawostką również na drodze tego zjawiska był słynny model parowania czarnych dziur. Klasyczna czarna dziura (czyli bez uwzględniania efektów kwantowych) powstaje wówczas, gdy proces zapadania się obiektu (na przykład masywnej gwiazdy) doprowadza do odizolowania się tego obiektu od "reszty świata" i powstania "horyzontu", tzn. do takiej sytuacji, w której nawet promień światła wysłany na zewnątrz zostaje z powrotem zawrócony przez pole grawitacyjne kolapsującego obiektu. Dalszy los tego, co dzieje się pod horyzontem, pozostaje nieznany dla zewnętrznego obserwatora. Hawking udowodnił, że jeżeli uwzględnić efekty kwantowe, to istnieje skończone prawdopodobieństwo, iż jakaś cząstka może znaleźć się na zewnątrz horyzontu. Czarna dziura traci więc masę. Obrazowo mówi się, że czarna dziura paruje.

Gwiazda IRC+10216 odparowuje wodę z obiegających ją lodowych ciał. To, co dzieje się wokół niej, w przyszłości może wydarzyć się w Układzie Słonecznym.
Taką obserwację przeprowadzili uczeni badający dane z satelity SWAS (Submillimeter Wave Astronomy Satellite). Satelita dostarczył dowodów na istnienie w innych układach gwiazdowych molekuł wody, niezbędnego składnika dla jakiejkolwiek znanej formy życia. Satelita od dwóch lat obserwował molekuły wody. Jednak ostatnie odkrycie jest szczególnie ciekawe, gdyż znaleziono obłok zawierający wodę wokół gwiazdy. Gwiazda ta, oznaczona jako IRC+10216, jest wiekowym olbrzymem znajdującym się 500 lat świetlnych od nas w gwiazdozbiorze Lwa. Wyjaśnienie powstania wokół gwiazdy takiego obłoku zakłada, że woda ta została odparowana z lodowych, zamrożonych ciał krążących wokół gwiazdy. W naszym układzie planetarnym również spotykamy takie zamrożone obiekty. Są nimi komety.
Proces odwrotny do opisywanego wcześniej to skraplanie. Czyli przechodzenie gazu w stan ciekły. Ochłodzony gaz oddaje energię, zmniejsza się prędkość cząsteczek,siły przyciągania zbliżają cząsteczki. Proces skraplania pary wodnej może zachodzić przez jej sprężanie izotermiczne, chłodzenie pod stałym ciśnieniem, rozprężanie. Aby para mogła się skroplić, muszą w niej występować ośrodki kondensacji w postaci jonów, zawiesin lub pyłków, które pomagają jej utrzymać cząsteczki cieczy w pierwszej fazie ich powstawania. W przypadku braku ośrodków kondensacji powstaje para przesycona. Skraplanie gazu może zachodzić jedynie w temperaturze niższej od jego temperatury krytycznej. Jeśli temperatura gazu jest wyższa od krytycznej, to należy go po sprężeniu ochłodzić. W technice skraplania gazów przeprowadza się w układach z dławieniem, z rozprężarką wykonującą pracę zewnętrzną, oraz w układach mieszanych. Po raz pierwszy skraplania gazu (SO ) dokonali ok. 1780r Francuzi Jean Clouet i G. Monge, natomiast pełnego skroplenia tlenu i azotu dokonali w 1883r w Krakowie Z. Wróblewski i K. Olszewski. Na skalę techniczną powietrze skroplił jako pierwszy C. Linde (1895) wykorzystując układ z dławieniem. G. Claude i P. Heylandt ulepszyli w 1902 roku ten system włączając w obieg rozprężarkę. W 1920 Heylandt uprościł urządzenie stosując powietrze o ciśnieniu 150-100 lat i temperaturze otoczenia. W 1939 P.L. Kapica zrealizował system, w którym zastosował do sprężania i rozprężania gazów układy wirnikowe. Przykłady to : Para wodna na szybach pod wpływem ciepła zamienia się w krople wody . Szron na liściach zamienia się w rosę.

Skroplenie tzw. gazów trwałych, m.in. tlenu - było przed laty prawdziwym wyzwaniem technicznym oraz sensacją. Dokonano tego żmudną metodą kaskadową. Chłodząc sprężone pary łatwo skraplającego się gazu, a następnie gwałtownie odparowując otrzymaną ciecz - uzyskiwano spadek temperatury aż o kilkadziesiąt stopni. W tych warunkach skraplano kolejny, trudniej skraplający się czynnik gazowy. Po wielu takich żmudnych operacjach osiągnięto temperaturę w której zaczynał skraplać się najmniej lotny składnik powietrza - tlen. Tak postąpili w 1883 roku Olszewski i Wróblewski.

Dziś stosowana jest niemal wyłącznie metoda rozprężania wykorzystująca tzw. efekt Joula-Thomsona. Oczyszczone suche powietrze spręża się do wysokiego ciśnienia i otrzymany bardzo gorący, silnie sprężony gaz - chłodzi wodą. Powietrze jest następnie rozprężane przez zawór dławiący; towarzyszy temu znaczne obniżenie temperatury. Oziębiony rozprężony gaz przechodzi przez wymiennik ciepła ochładzając dopływający stale do zaworu dławiącego gaz pod wysokim ciśnieniem. W wyniku kolejnych wymian ciepła temperatura rozprężanego powietrza ciągle spada, aż rozpoczyna się jego skraplanie... W praktyce produkcja azotu i tlenu odbywa się w sposób ciągły, poprzez odbieranie odpowiednich frakcji z kolumny rektyfikacyjnej znajdującej się za strefą rozprężania. Koszty produkcji obejmują jedynie cenę energii elektrycznej sprężarki oraz eksploatacji urządzeń i koszta administracyjne.

Skraplanie wodoru np. do instalacji zasilającej kosmiczne urządzenia startowe jest bardziej kłopotliwe, gdyż wodór w zwykłej temp. ma odwrotny znak współczynnika Joula –Thomsona (podczas rozprężania wodór się ogrzewa a nie oziębia ) .Przed poddaniem wodoru rozprężaniu, należy go wstępnie silnie ochłodzić w tradycyjny sposób. To nie koniec kłopotów. Świeżo skroplony wodór jest bardzo niestabilny w powodu dość szybkiej przemiany ortowodoru w parawodór. Co prawda ciepło tego egzotermicznego procesu jest niewielkie, ale równie małe jest ciepło parowania ciekłego wodoru. W rezulatcie, nawet przy idealnej izolacji w ciągu kilkunastu godzin samorzutnie i bez dopływu ciepła z zewnątrz, odparowuje w wyniku tego prawie połowa skroplonej cieczy. Podczas skraplania wodoru stosuje się paramagnetyczny katalizator przyspieszający opisana przemianę. W ten sposób co prawda wydajność skraplania jest znacznie niższa, ale otrzymany ciekły wodór znajduje się w stanie równowagi i jest znacznie bardziej stabilny. Jeszcze inna ciekawostka kosmiczna dotyczy oszczędności zbiorników paliwa rakiety (w przypadku Space Shuttle jest to największy element zastawu startowego). Buduje się go z bardzo cienkiej blachy – tak cienkiej, że załamałaby się podczas przeciążeń startowych. Zbiornik jest stale otwarty, gdyż skroplony wodór stale w nim wrze. Kilkanaście sekund przed startem zamyka się jednak zawór wylotowy, rosnące ciśnienie wewnątrz usztywnia konstrukcje podobnie jak zamkniętą puszkę z piwem

Kolejne zjawisko to proces przejścia substancji ze stanu stałego w stan gazowy z pominięciem fazy ciekłej. Sublimacja jest rodzajem parowania i może zachodzić w całym zakresie temperatur i ciśnień w których dana substancja może współistnieć w stanie stałym i gazowym (zazwyczaj jest to temperatura i ciśnienie niższe od punktu potrójnego, a w temperaturze niższej od temperatury topnienia i temperatury punktu potrójnego przy dowolnym ciśnieniu). ). Zjawisko takie można zaobserwować zimą, gdy po opadach śniegu następuje kilka dni ładnej i mroźnej pogody. Wyraźnie widać wówczas postępujące z każdym dniem ubywanie cienkich warstw śniegu i lodu. Znane są substancje, które sublimują znacznie chętniej niż lód, np. jod, suchy lód (stały dwutlenek węgla) lub naftalen (naftalina - kulki przeciw molom).

Na szybkość sublimacji wpływa temperatura oraz różnica ciśnienia pary nasyconej i pary w otoczeniu fazy stałej. Szybkość sublimacji jest zazwyczaj niewielka ze względu na niską temperaturę i małą prężność pary nasyconej dla wielu substancji, dodatkowo szybkość sublimacji ograniczają zanieczyszczenia powierzchni fazy stałej. Specjalne efekty sceniczne osiąga się za pomocą sublimacji stałego dwutlenku węgla.

Sublimacja wody (lodu) występuje w przyrodzie gdy zimne (o temperaturze niższej od 0ºC) i suche powietrze przepływając nad wodą w stanie stałym (lodem, śniegiem, szronem) powoduje przechodzenie wody w stan gazowy.

Dwutlenek węgla ma ciśnienie punktu potrójnego większe od ciśnienia atmosferycznego, dlatego pozostawienie zestalonego dwutlenku węgla (suchy lód) na powietrzu powoduje jego sublimację (lód zanika a nie topi się).

Kamfora jest substancją, która ma dużą szybkość sublimacji w temperaturze pokojowej dlatego powstało powiedzenie "Znikł jak kamfora".
Sublimację stosuje się w technice szeroko do oczyszczania substancji stałych lub otrzymywania substancji w postaci drobnych kryształków (np. siarka sublimowana zwana kwiatem siarczanowym).

Procesem odwrotnym do opisywanego powyżej jest resublimacja, czyli bezpośrednie przechodzenie substancji ze stanu gazowego w stały z pominięciem stanu ciekłego.

Towarzyszy jej wydzielanie ciepła. Zachodzi z całym przedziale temp. i ciśnienia, w którym współistnieją faza ciekła i gazowa danej substancji. Następuje w wyniku oziębiania pary substancji.

Resublimacja, w połączeniu z sublimacją lub parowaniem, jest wykorzystywana do oczyszczania lub rozdzielania substancji, do otrzymywania substancji w postaci drobnych kryształków.