substancje mogą zmieniać fazę-często z powodu zmiany temperatury. W niskich temperaturach większość substancji jest stała; wraz ze wzrostem temperatury stają się płynne; w wyższych temperaturach stają się gazowe.

proces stania się cieczą nazywa się topnieniem (starsze określenie, które czasami można zobaczyć, to fuzja). Przeciwny proces, ciecz staje się ciałem stałym, nazywa się zestalaniem. Dla każdej czystej substancji temperatura, w której następuje topnienie-znana jako temperatura topnienia — jest cechą charakterystyczną tej substancji. Wymaga energii, aby ciało stałe stopiło się w ciecz. Każda czysta substancja ma pewną ilość energii, której potrzebuje, aby zmienić się z ciała stałego w ciecz. Ilość ta nazywana jest entalpią fuzji (lub ciepłem fuzji) substancji, reprezentowaną jako ΔHfus. Niektóre wartości ΔHfus są wymienione w tabeli 10.2 „Entalpie fuzji dla różnych substancji”; przyjmuje się, że wartości te dotyczą temperatury topnienia substancji. Zauważ, że jednostka ΔHfus to kilodżule na mol, więc musimy znać ilość materiału, aby wiedzieć, ile energii jest zaangażowane. ΔHfus jest zawsze tabelaryczne jako liczba dodatnia. Można go jednak stosować zarówno w procesach topienia, jak i zestalania, o ile należy pamiętać, że topienie jest zawsze endotermiczne (więc ΔH będzie dodatnie), podczas gdy krzepnięcie jest zawsze egzotermiczne (więc ΔH będzie ujemne).

tabela 10.2

substancja (Temperatura topnienia)	ΔHfus (kJ / mol)
woda (0°C)	6.01
Aluminium (660°C)	10.7
benzen (5,5°C)	9.95
Etanol (-114,3°C)	5.02
rtęć (-38,8°C)	2.29

podczas topnienia energia przechodzi wyłącznie do zmiany fazy substancji; nie przechodzi do zmiany temperatury substancji. Dlatego topnienie jest procesem izotermicznym, ponieważ substancja pozostaje w tej samej temperaturze. Dopiero kiedy cała substancja jest stopiona, dodatkowa energia przechodzi do zmiany jej temperatury.

co się dzieje, gdy ciało stałe staje się cieczą? W ciele stałym pojedyncze cząstki utknęły w miejscu, ponieważ siły międzycząsteczkowe nie mogą być przezwyciężone przez energię cząstek. Gdy dostarczana jest większa ilość energii (np., podnosząc temperaturę), pojawia się punkt, w którym cząstki mają wystarczająco dużo energii, aby się poruszać, ale nie wystarczająco dużo energii, aby się oddzielić. Jest to faza ciekła: cząstki wciąż stykają się, ale są w stanie poruszać się wokół siebie. To wyjaśnia, dlaczego ciecze mogą przybrać kształt swoich pojemników: cząstki poruszają się i pod wpływem grawitacji wypełniają jak najmniejszą objętość (chyba że ciecz znajduje się w środowisku o zerowej grawitacji-patrz rysunek 10.16 „Ciecze i grawitacja”).

zmiana fazy między cieczą a gazem ma pewne podobieństwa do zmiany fazy między ciałem stałym a cieczą. W określonej temperaturze cząstki w cieczy mają wystarczająco dużo energii, aby stać się gazem. Proces, w którym ciecz staje się gazem nazywa się gotowaniem (lub parowaniem), podczas gdy proces, w którym gaz staje się cieczą, nazywa się kondensacją. Jednak w przeciwieństwie do procesu konwersji ciało stałe / ciecz, proces konwersji ciecz / gaz jest zauważalnie wpływ ciśnienia otoczenia na ciecz, ponieważ gazy są silnie wpływ ciśnienia. Oznacza to, że temperatura, w której ciecz staje się gazem, temperatura wrzenia, może zmieniać się wraz z otaczającym ciśnieniem. Dlatego też normalną temperaturę wrzenia definiujemy jako temperaturę, w której ciecz zmienia się w gaz, gdy ciśnienie otoczenia wynosi dokładnie 1 atm, czyli 760 torr. O ile nie określono inaczej, przyjmuje się, że temperatura wrzenia wynosi 1 atm ciśnienia.

podobnie jak zmiana fazy stałej/ciekłej, zmiana fazy ciekłej / gazowej obejmuje energię. Ilość energii potrzebnej do przekształcenia cieczy w gaz nazywa się entalpią parowania (lub ciepłem parowania), reprezentowaną jako ΔHvap. Niektóre wartości ΔHvap są wymienione w tabeli 10.3 „Entalpia parowania różnych substancji”; przyjmuje się, że wartości te dotyczą normalnej temperatury wrzenia substancji, która jest również podana w tabeli. Jednostką ΔHvap jest również kilodżul na mol, więc musimy znać ilość materiału, aby wiedzieć, ile energii jest zaangażowane. ΔHvap jest również zawsze tabelaryczne jako liczba dodatnia. Może być stosowany zarówno do Procesu wrzenia, jak i kondensacji, o ile należy pamiętać, że gotowanie jest zawsze endotermiczne (więc ΔH będzie dodatnie), podczas gdy kondensacja jest zawsze egzotermiczna (więc ΔH będzie ujemne).

Tabela 10.3 Entalpie parowania dla różnych substancji

substancja (normalna temperatura wrzenia)	ΔHvap (kJ / mol)
woda (100°C)	40.68
brom (59,5°C)	15.4
benzen (80,1°C)	30.8
Etanol (78,3°C)	38.6
rtęć (357°C)	59.23

podobnie jak w przypadku topienia, energia we wrzeniu idzie wyłącznie do zmiany fazy substancji; nie idzie do zmiany temperatury substancji. Więc gotowanie jest również procesem izotermicznym. Tylko wtedy, gdy cała substancja się zagotuje, dodatkowa energia przechodzi do zmiany jej temperatury.

co się dzieje, gdy ciecz staje się gazem? Ustaliliśmy już, że ciecz składa się z cząstek stykających się ze sobą. Kiedy ciecz staje się gazem, cząstki oddzielają się od siebie, a każda cząstka podąża własną drogą w przestrzeni. W ten sposób gazy mają tendencję do napełniania pojemników. Rzeczywiście, w fazie gazowej większość objętości to pusta przestrzeń; tylko około jednej tysięcznej objętości jest faktycznie zajmowana przez materię (patrz rysunek 10.17 „Ciecze i gazy”). To właśnie ta właściwość gazów wyjaśnia, dlaczego mogą być sprężane, co jest rozważane w rozdziale 6 „gazy”.

w pewnych okolicznościach faza stała może przejść bezpośrednio do fazy gazowej bez przechodzenia przez fazę ciekłą, a gaz może bezpośrednio stać się ciałem stałym. Zmiana ciała stałego na gaz nazywa się sublimacją, podczas gdy proces odwrotny nazywa się osadzaniem. Sublimacja jest izotermiczna, podobnie jak pozostałe zmiany fazowe. Podczas sublimacji zachodzi mierzalna zmiana energii; Ta zmiana energii nazywana jest entalpią sublimacji, reprezentowaną jako ΔHsub. Zależność między ΔHsub a innymi zmianami entalpii jest następująca:

ΔHsub = ΔHfus + ΔHvap

jako taki, ΔHsub nie zawsze jest tabelaryczny, ponieważ można go po prostu obliczyć z ΔHfus i ΔHvap.

istnieje kilka typowych przykładów sublimacji. Dobrze znanym produktem-suchym lodem – jest w rzeczywistości stały CO2. Suchy lód jest suchy, ponieważ sublimuje, a ciało stałe omija fazę ciekłą i przechodzi prosto do fazy gazowej. Sublimacja zachodzi w temperaturze -77°C, dlatego należy obchodzić się z nią ostrożnie. Jeśli kiedykolwiek zauważyłeś, że kostki lodu w zamrażarce mają tendencję do zmniejszania się z czasem, to dlatego, że stała woda bardzo powoli sublimuje. „Burn zamrażarka” nie jest rzeczywiście burn; występuje, gdy niektóre produkty spożywcze, takie jak mięso, powoli tracą zawartość stałej wody z powodu sublimacji. Jedzenie jest nadal dobre, ale wygląda nieapetycznie. Obniżenie temperatury zamrażarki spowolni sublimację stałej wody.

równania chemiczne mogą być używane do reprezentowania zmiany fazy. W takich przypadkach kluczowe znaczenie ma stosowanie etykiet fazowych na substancjach. Na przykład równanie chemiczne dla topnienia lodu w celu wytworzenia ciekłej wody jest następujące:

H2O(s) → H2O (ℓ)

nie zachodzi żadna zmiana chemiczna; jednak zachodzi zmiana fizyczna.

krzywe grzewcze

wykres temperatury w stosunku do ilości dodanego ciepła jest znany jako krzywa grzewcza (patrz rysunek 10.18). Są one powszechnie używane do wizualnego pokazania zależności między zmianami fazowymi i entalpii dla danej substancji.

na rysunku 10.18 ciało stałe zyskuje energię kinetyczną i w konsekwencji wzrasta temperatura w miarę dodawania ciepła. W temperaturze topnienia dodawane ciepło jest wykorzystywane do przełamania atrakcyjnych sił międzycząsteczkowych ciała stałego zamiast zwiększania energii kinetycznej, a zatem temperatura pozostaje stała. Po tym, jak ciało stałe stopiło się, po raz kolejny dodane ciepło idzie do zwiększenia energii kinetycznej (i temperatury) cząsteczek cieczy do temperatury wrzenia. W temperaturze wrzenia, po raz kolejny, ciepło jest używane do przerwania atrakcyjnych sił międzycząsteczkowych zamiast dostarczania energii kinetycznej, a temperatura pozostaje stała, dopóki cała ciecz nie zostanie zamieniona w gaz.

Media