Skupenství a fázové přeměny
Skupenství a fázové přeměny (1/9) · 19:24

Skupenství Jaké známe látkové skupenství? Video a pevných látkách, kapalinách a plynech.

Navazuje na Základy termodynamiky.
Asi všichni máme zkušenost se třemi skupenstvími. Za velmi vysokých teplot získáte ještě čtvrté. Ty tři skupenství, se kterými běžně přicházíme do styku jsou: pevné látky, kapaliny, anebo plyny. Ze zkušenosti víme, a voda je dobrým příkladem, který mě napadne vždy jako první, že pevné skupenství máme, pokud jsou věci studené, relativně studené. A jak je ohříváte, přechází do kapalného skupenství. A když je i ohříváte ještě víc, přechází do plynného skupenství. Takže přechází od chladnější do teplejší. A v případě vody, pokud je v pevném skupenství, je z ní led. Studené kapalné vodě se někdy říká ledová voda, ale budeme tomu říkat kapalná voda. Myslím, že víme, co to je. Plynné fázi se také říká parní fáze nebo pára. Pojďme se podívat, co za tím vším je, alespoň v případě vody, a podobné to bude u ostatních molekul. Čím to je, že voda je pevná, když je studenější, a co jí umožňuje stát se kapalnou. Upřímně, kapaliny jsou svým způsobem úchvatné, protože se nedají pevně přichytit, Nebo plyn. Pojďme si nakreslit molekulu vody. Tady máme kyslík. Máme tu nějaké vazby s vodíkem. A pak tu máme navíc dva páry valečních elektronů na kyslíku. Už asi víte z minula, že kyslík má mnohem větší elektronegativitu než vodík. Rád si přivlastňuje elektrony. Takže i když to zde vypadá, jako by elektrony navzájem sdíleli tady a tady. Na obou koncích těchto linek, můžete svým způsobem vidět, že vodík přispívá jedním elektronem a kyslík také přispívá jedním elektronem na svém konci této linky. Ale my víme, že díky elektronegativitě nebo spíše relativní elektronegativitě kyslíku, že si přivlastňuje tyto elektrony. Tím pádem tyto elektrony stráví daleko více času kolem kyslíku, než kolik ho stráví blízko vodíku. Důsledkem toho je, že molekula na straně kyslíku má částečně záporný náboj. A o tom jsme už trochu mluvili. Oproti tomu, molekula na straně vodíku má mírně kladný náboj. Nyní, pokud tyto molekuly mají velice malou kinetickou energii, v podstatě se skoro vůbec nehýbou, pak kladně nabité strany s vodíkem jsou silně přitahovány k záporně nabitým částem s kyslíkem u jiných molekul. Nakreslím ještě nějaké další molekuly. Když mluvíme o skupenském stavu celé látky, tak ve skutečnosti tím myslíme to, jak na sebe jednotivé molekuly navzájem působí. Nejen jak na sebe navzájem působí atomy uvnitř molekuly. Namaloval jsem tu jen jeden kyslík, takže ho zkopírujeme, abychom měli více kyslíků. A řekněme, že tenhle vodík bude chtít být blízko tohoto kyslíku. Protože tenhle má částečný záporný náboj a tenhle má částečný kladný náboj. Pak bych mohl přidat ještě jeden přímo sem. A pro doplnění, abych to jasně vysvětlil. Zde jsou dva vodíky, takže se tu možná bude chtít poflakovat kyslík. Takže třeba tady máte kyslík, který chce být právě tady, protože má částečný záporný náboj. A je spojený s dvěma vodíky právě zde, které mají naopak částečně kladný náboj. Tady už můžete vidět jakousi mřížkovou strukturu. Namaluju tady tyto polární vazby, které se začínají tvořit mezi částicemi. Tyto vazby se nazývají polární vazby, protože molekuly mají póly. A můžete vidět, že se zde tvoří tato mřížková struktura. A pokud žádná z těchto molekul nemá hodně kinetické energie, nebo můžeme říct, pokud průměrná kinetická energie této látky je nevelká. A co víme o průměrné kinetické energii? Je to vlastně teplota. Potom tato mřížková struktura bude pevná. Tyto molekuly se vůči sobě navzájem nebudou hýbat. Mohl bych malovat do nekonečna, ale je snad pochopitelné, že zde tvoříme určitý druh pevné konstrukce. Když se nacházíme v tomto pevném skupenství, zatímco zvyšujeme teplotu a zvyšujeme kinetickou energii, co se stane s molekulami? Přinutí je to maličko se rozvibrovat. Kdybych kreslil komix, způsob jak bych nakreslil vibrace je dát sem obloučky. To ale není zrovna moc vědecké :) Ale vibrovaly by, klepaly by se trochu. Proto nakreslím šipky, abych ukázal, že vibrují. Nemusí to být zrovna zleva doprava, může to být shora dolů. Ale i když přidáváte čím dál víc tepla látce v pevném skupenství molekuly budou nadále udržovat své uspořádání. Takže se vůči sobě navzájem nebudou pohybovat. Ale budou převádět toto teplo, a teplo je jenom druh energie, na kinetickou energii, která se projevuje vibracemi těchto molekul. Takže teď, když tyto molekuly dostatečně rozvibrujete, a když dodáte dostatek kinetické energie těmto molekulám co si myslíte, že se stane? No, tenhle chlapík už pořádně silně vibruje a bude vibrovat silněji a silněji s tím, jak přidáváte stále víc tepla. Tenhle chlapík dělá to samé. V určitém okamžiku tyto polární vazby, které je k sobě poutají, přestanou být dostatečně silné na to, aby vydržely tyto vibrace. A jakmile se tohle stane, molekuly... ...namaluji pár dalších... jakmile se tohle stane, molekuly se začnou pohybovat jedna kolem druhé. Takže teď se náhle molekuly začnou přesunovat. Ale přitom jsou stále k sobě přitahovány. Třeba tato se pohne sem, tahle se posune sem. Máte další molekuly, které se pohybují tímto směrem. Ale stejně jsou pořád přitahované jedna druhou, přestože jsme dodali dostatek kinetické energie k tomu, aby tyto vibrace mohly svým způsobem narušit vazby mezi nabitými částmi molekul. Naše vibrace, tedy naše kinetická energie pro každou molekulu stále není dostatečně silná k tomu, aby je úplně rozdělila. Začínají se po sobě navzájem klouzat. A tohle je to, co se stane, když se nacházíte v tekutém skupenství. Máte spoustu atomů, které se chtějí navzájem dotýkat, ale jsou kluzké. Mají dostatek kinetické energie k tomu, aby mohly klouzat po sobě a rozbít tuto pevnou mřížkovou strukturu zde, a pak, v případě, že přidáte ještě více kinetické energie, ještě více tepla, zatím je to stále roztok, molekuly nebudou vůbec ani schopné zůstat pohromadě. Nebudou ani schopné zůstat jedna blízko druhé. Když dodáte dostatek kinetické energie začnou vypadat takto. Úplně se rozdělí, a pak od sebe nezávisle odskočí. Obzvlášť nezávisle, pokud jsou ideálním plynem. Ale obecně se v plynech nadále nedotýkají. Mohou do sebe narazit. Ale mají samy o sobě tolik vlastní kinetické energie, že pokračují svým vlastním směrem a nadále se už nedotýkají. Myslím, že to dává smysl, když se zamyslíte nad tím, co vlastně plyn je. Například, je velmi těžké vidět plyn. Proč je vlastně těžké vidět plyn? Protože molekuly plynu jsou od sebe daleko více vzdálené. Takže se na světle nechovají stejně, jako by se chovaly kapaliny nebo pevné látky. Pokud to budeme rozvíjet ještě dále, pevná látka... Popravdě, asi bych neměl použít tento příklad u ledu. Protože led nebo voda jsou jednou z několika málo situací, kdy má pevná látka menší hustotu než kapalina. Kvůli tomu led plave. A také kvůli tomu ledovce jednoduše neklesnou až na dno oceánu. A rybníky nepromrznou úplně celé. Ale většina kapalin je jiná než voda, mají menší hustotu. To je také jiný důvod, proč můžete přes kapalinu vidět o trochu lépe. Nebo nemá takové schopnosti difrakce, ...nebudu do toho zabíhat... že by to mohla být i pevná látka. Ale u plynu je to nejočividnější. A je to pravda u vody. Voda jako kapalina je mnohem hustší než v plynném skupenství. V plynném skupenství budou molekuly poskakovat kolem, ale nebudou se dotýkat. A díky tomu může více světla proniknout látkou. Teď je ještě otázkou, jak změříme množství tepla, které je zapotřebí, aby se toto stalo s vodou? Abych to vysvětlil, tak ve skutečnosti nakreslím fázový diagram. To je totiž fantastický způsob, jak něco popsat dost zřetelně. Řekněme, že tohle je množství tepla, které dodávám a tohle je teplota. Ke skupenským stavům se dostaneme za chvíli. Takže teplo je často označováno jako Q. Někdy také lidé mluví jako o změně tepla. Pak budou používat písmeno H, malé h či velké H, a před H doplní řecké písmeno delta. Delta znamená změnu. A někdy také můžete zaslechnout slovo entalpie. Hned ho napíšu. Kdysi jsem si říkal, co to je entalpie? Zní to jako empatie, a přitom je to něco úplně jiného. ...nebo zde aspoň nemůžu najít přímou souvislost... Ale s teplem toho má hodně společného. Je to tepelný obsah, obsah tepla. Pro naše účely, když vám někdo řekne změna entalpie, měla by vás hned napadnout změna tepla. Stejně si myslím, že to slovo bylo vynalezeno jenom pro zmatení studentů chemie a k zavedení neodvoditelného slova do jejich slovní zásoby. Nejlepší způsob, jak to chápat, je tepelný obsah. Změna entalpie je ve skutečnosti jenom změna v teplotě. Schválně si vzpomeňte na všechny ty věci, ať jsme mluvili o teplu, kinetické energii, potenciální energii, entalpii. Uslyšíte je v různých souvislostech, abyste potom zoufali: já říkám teplo a oni tady mluví o entalpii. Všechno to jsou formy energie. A všechny jsou měřené v Joulech. Můžou být měřeny i v jiných jednotkách, ale základní jednotka jsou Jouly. A energie je schopnost vykonávat práci. A jaká je jednotka práce? Jasně, Jouly. Síla krát vzdálenost. To je jenom taková zajímavost. Ale je dobré znát slovo entalpie. Obzvlášť v souvislosti s chemií, protože je používáno celkem často a dokáže být matoucí a neodvoditelné. Protože si říkáte, ale já nevím, co dělá entalpie v mém životě. Stačí, když o tom budete přemýšlet jako o tepelném obsahu, protože to je entalpie. Tady na této ose mám teplo. Takže tady na začátku mám velmi málo tepla, čím jsem dál, tím víc tepla přidávám. A tady je teplota. Takže řekněme, že za nízkých teplot jsem zde, a jak přidávám teplo, teplota roste. Teplota je průměrná kinetická energie. Domluvme se také, že tady jsem v pevném skupenství. Pevné skupenství nakreslím fialově. ...vlastně fialovou už tu mám. Tak použiji purpurovou. S tím jak přidávám teplo, teplota stoupá. Teplo je forma energie. A pokud teplo dodám těmto molekulám, jako jsem to udělal tady... Co se stane? Rozvibruji je, neboli je donutím k tomu, aby měly vyšší kinetickou energii, nebo průměrnou kinetickou energii, a to je přesně to, co teplota měří - průměrnou kinetickou energii. Jak dodávám teplo v tomto pevném skupenství, průměrná kinetická energie poroste. Já to sem napíšu. Tady jsem v pevném skupenství, nebo také v pevném skupenském stavu látky. A najednou se tady stane něco dost zajímavého. Řekněme, že je to voda. Takže co se stane při nula stupních Celsia? Což je to samé jako 273,15 Kelvina. Je to tato linka. Co se stane s pevnou látkou? Změní se v kapalinu. Led se rozpouští. Ne všechny pevné látky, tady mluvíme konkrétně o vodě, tedy H₂O. Takže toto je led v našem příkladu. Ne všechny pevné látky jsou led. Ale můžete třeba o kameni přemýšlet jako o ztuhlém magma. Protože to je přesně to, čím kámen je. Mohli bychom najít spoustu podobných příkladů. Ta zajímavost je v tom, co se stane při nula stupních. V závislosti na tom, jakým směrem se pohybujete, dosáhnete buď teploty tání a nebo teploty tuhnutí. Stane se tahle zajímavá věc. Jak přidávám teplo, neroste teplota. Jak přidávám teplo, teplota se nezvyšuje po krátkou dobu. Hned to nakreslím. Po krátkou dobu zůstane teplota stejná. A pak, zatímco je teplota stejná, zůstaneme v pevném skupenství. Stále je to pevná látka. A teprve potom se přemění v kapalinu. Řekněme právě tady. Dodali jsme určité množství tepla a stále máme pevnou látkou. Ale dostali jsme se k bodu, kdy se led změnil v kapalinu. Led celou tu dobu tál. To je asi ten nejlepší způsob, jak si to představit. A pak, jakmile dodáváme více a více tepla, kapalina se začne ohřívat také. A tady se dostáváme k tomu, jaká teplota bude zase zajímavá pro vodu. Jasně, je to sto stupňů Celsia, nebo také 373 Kelvina. Dám to ve stupních Celsia, protože jsme na ně zvyklí. A co se stane? To je teplota, při které se voda bude měnit na páru, nebo při které vaří. Ale něco se stalo. A tady už začínají být molekuly opravdu kineticky aktivní. Ale stejně jako při přechodu z pevného skupenství do kapalného, je to určité množství energie, kterou musíte přidat do systému. A ve skutečnosti je to velké množství v tomto bodě, kde se voda mění v páru, ale nemění se její teplota. Takže musíme nadále dodávat teplo, ale všimněte si, že teplota neroste. Za chvilku si vysvětlíme, co se tam v tomto okamžiku děje. A pak konečně, za tímto bodem je voda vypařena, neboli je kompletně párou. Potom se může začít zahřívat, pára může být víc a víc horká s tím, jak přidáváme víc a víc tepla systému. Takže zajímavá otázka je, ...myslím si, že je odvoditelná... pokud přidáváte teplo tady, teplota roste. Ale zajímavé je, co se děje právě tady. Dodáváme teplo. Takže tady v téhle části proměňujeme teplo v kinetickou energii. Teplota je průměrná kinetická energie. Ale co tady? Co dělá toto teplo tady? No, teplo nedodává kinetickou energii systému. Teplota se nezvyšuje. Ale led se mění na vodu. To, co se děje v tomto stádiu je to, že energie, teplo, je v podstatě použito k rozbití těchto vazeb. A v podstatě k přivedení molekul do vyššího energetického stavu. Takže si říkáte, co znamená vyšší energetický stav? No, pokud by zde nebyl dostatek tepla a kinetické energie, tyto molekuly by chtěly být velice blízko sebe. Například, já chci být co nejblíž zemskému povrchu. Když mě posadíte do letadla, tak mě vlastně uvedete do vyššího energetického stavu. Mám totiž více potenciální energie. Mám totiž možnost padat přímo k Zemi. Podobně, když chcete s těmito molekulami pohnout a změnit pevnou látku na kapalinu, chtějí zpátky spadnout k sobě navzájem. Ale protože mají tolik kinetické energie, tak toho nikdy nebudou zcela schopné. Ale jejich energie roste. Jejich potenciální energie je vyšší, protože na sebe navzájem chtějí spadnout. Tím padáním jedna na druhou mohou teoreticky vykonat určitou práci. Takže co se vlastně tady děje, když dodáváme teplo... Tohle je právě to množství tepla, které dodáváme, nazývá se skupenské teplo tání. Je to stále stejné množství tepla bez ohledu na to kterým směrem jdeme. Pokud se pohybujeme od pevného skupenství ke kapalnému, mluvíme o tom jako o skupenském teplu tání Je to právě to teplo, které musíme ledu dodat, aby se změnil na kapalinu. Pokud budete postupovat tímto směrem, potom je to teplo, které mustíte odebrat z vody o teplotě nula stupňů Celsia, aby se proměnila v led. Takže odebíráte potenciální energii a přimějete tak molekuly k tomu, aby byly čím díl blíž jedna k druhé. Další způsob, jak to chápat je ten, že právě tady je teplo převáděno na kinetickou energii, a jakmile se ocitnete v této fázi přeměny, z pevné látky na kapalinu, je naše teplo použito k dodání potenciální energie do systému. K odtažení molekul od sebe, k dodání více potenciální energie. Když mě odtáhnete od země, dodáte mi potenciální energii. Protože gravitace mě chce stáhnout zpět k zemi. A já mohu po cestě k zemi vykonat práci. Třeba jako vodopád může vykonat práci. Může roztočit turbínu. Stejně tak by jste mohli rozpohybovat turbínu kupou padajících mých já. A od okamžiku, kdy je z vás jen kapalina, tak už se zase stáváte stále teplejší kapalinou. Tady je opět teplo použité pro zvýšení kinetické energie. Nutíte molekuly pohybovat se jedna kolem druhé stále rychleji a rychleji. Až do okamžiku, kdy se chtějí úplně odpoutat jedna od druhé. Už po sobě nechtějí jen tak klouzat, chtějí od sebe úplně odskočit pryč. A to se děje právě tady. Toto je výparné skupenské teplo. A děje se opět to samé. Předtím jsme molekulami klouzali kolem sebe a teď je od sebe oddělujme. Takže by se určitě zase mohly shluknout dohromady. A jakmile dodáme právě tolik tepla, začínáme už jenom ohřívat páru. Už jenom ohříváme plynnou vodu. A ta už se jenom stává stále víc a víc horkou. Zajímavá věc právě tady, ...nebo myslím aspoň... ...pro mě tohle byla zajímavá věc, když jsem se to poprvé dozvěděl...je to, že kdykoliv jsem přemýšlel o vodě při nula stupních, řekl jsem: to musí být led. To ale není tak úplně pravda. Jestliže začnete s vodou a budete ji ochlazovat stále víc a víc až k nula stupňům, tak v podstatě této vodě odebíráte teplo. Můžete mít vodu o teplotě nula stupňů a stále ještě nebude zmrzlá v led. A obdobně, mohli by jste mít vodu o sto stupních, která stále nebude párou. Musíte dodat více energie. Můžete mít páru o sto stupních. Můžete mít vodu při nula stupních. Každopádně, doufám, že vám to alespoň trochu pomohlo k poznání, co jednotlivé skupenské stavy látek jsou. V další lekci se podíváme na to, kolik tepla přesně potřebujeme, abychom se mohli pohybovat po této lince. Možná taky vyřešíme problém s tím, kolik ledu potřebujeme, abychom si vychladili pití.
video