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.
Všichni asi máme zkušenost se třemi skupenstvími, ve kterých se látky mohou nacházet. Za velmi vysokých teplot existuje i čtvrté skupenství. Nicméně ta tři skupenství, se kterými běžně přicházíme do styku, jsou: pevné látky, kapaliny a plyny. Tohle je taková obecná představa. Dobrým příkladem, na kterém si to představit, je voda. Pevné skupenství se vyskytuje při relativně chladnějších teplotách. Když látky zahříváme, tak dochází k přechodu do kapalného skupenství. A když je zahříváme ještě víc, tak přechází do plynného skupenství. Takže tyto přechody jsou ve směru od chladnějšího k teplejšímu. Podívejme se konkrétně na vodu. V pevném skupenství se jedná o led. Kapalné skupenství vody se někdy nazývá prostě voda, ale my mu budeme říkat kapalná voda. A plynnou fázi vody nazýváme párou. Pojďme se tedy podívat, proč tomu tak je. Začneme vodou, ale ostatní molekuly to budou mít podobně. Čím to je, že studenější voda má pevné skupenství a čím to, že se stane kapalnou? Kapaliny mi přijdou svým způsobem úchvatné, protože se nedají nikam jen tak položit. To samé platí o plynech. Pojďme si tedy nakreslit molekulu vody. Tady máme kyslík. Tady jsou vazby na vodík. A pak tu na kyslíku máme navíc dva páry valenčních elektronů. Z minulých videí si asi pamatujete, že kyslík má mnohem větší elektronegativitu než vodík. To znamená, že si rád přivlastňuje elektrony. Takže i když to tady vypadá, že vodík a kyslík tady elektrony sdílí... Na obou stranách těchto vazeb, můžete svým způsobem vidět, že vodík přispívá jedním elektronem a kyslík přispívá také jedním elektronem na svém konci této linky. Ale my víme, že díky tomu, že má kyslík relativně vyšší elektronegativitu, tak tyto elektrony bude mít na sobě spíš kyslík. To znamená, že tyto elektrony stráví daleko více času u kyslíku než u vodíku. Důsledkem toho je, že molekula vody má na straně kyslíku částečně záporný náboj. O tom jsme se už trošku bavili. Naopak na straně vodíku má molekula vody slabě kladný náboj. Pokud tyto molekuly mají velice malou kinetickou energii, to znamená, že se téměř nehýbou, pak tyto kladně nabité strany s vodíkem jsou silně přitahovány k záporně nabitým částem s kyslíkem jiných molekul. Nakreslím sem tedy ještě nějaké další molekuly. Mluvíme-li o skupenském stavu látky jako celku, tak tím ve skutečnosti myslíme to, jak na sebe jednotlivé molekuly navzájem působí. Tedy nejen to, jak na sebe navzájem působí atomy uvnitř molekuly. Namaloval jsem tu jen jednu molekulu vody, takže ji zkopíruji, abychom jich měli více. Řekněme, že tenhle vodík bude chtít být blízko tohoto kyslíku. Protože kyslík má částečný záporný náboj a vodík má částečný kladný náboj. Pak bych mohl přidat ještě jeden přímo sem. Abych to ještě objasnil, tady máme dva vodíky, takže tady bude asi chtít být kyslík. Takže tento kyslík chce být tady, protože má částečný záporný náboj. Navíc je spojený s dvěma vodíky tady, které naopak mají částečně kladný náboj. Už tu dokonce můžeme vidět jakousi mřížkovou strukturu. Namaluji sem polární vazby, které se začaly vytvářet mezi částicemi. Tyto vazby se nazývají polární, protože samotné molekuly mají póly. A můžete vidět, že se zde pak vytvoří tato mřížková struktura. Dá se tedy říci, že pokud žádná z těchto molekul nemá velkou kinetickou energii, nebo pokud je průměrná kinetická energie této látky vcelku nízká, tak tato mřižková struktura bude v pevném skupenství. A co už víme, že je průměrná kinetická energie? Je to teplota. Pokud je tedy teplota látky relativně nízká, tak se tyto molekuly vůči sobě navzájem nebudou hýbat. Mohl bych to malovat do nekonečna, ale asi chápete, že se nám tu vytváří určitá pevná struktura. Teď máme tedy pevné skupenství. Ale co se stane s těmito molekulami, když budeme zvyšovat teplotu, a tím tedy kinetickou energii? Molekuly začnou více vibrovat. Kdybych kreslil komix, tak bych vibrace nakreslili tak, že bych sem dal uvozovky. Ale to by nebylo vědecké. Nicméně molekuly by vibrovaly. Proto sem nakreslím šipky, které znázorňují vibrace. Vibrace nemusí být jen zleva doprava, ale také shora dolů. Nicméně i když budete látce v pevném skupenství přidávat stále více tepla, tak molekuly budou nadále udržovat své uspořádání. To znamená, že se vůči sobě navzájem nebudou pohybovat. Ale toto teplo, což je vlastně druh energie, budou převádět na kinetickou energii, která se bude projevovat vibracemi těchto molekul. Nicméně co myslíte, že se stane, pokud tyto molekuly dostatečně rozvibrujete tedy když jim dodáte dostatek kinetické energie? Tahle molekula vibruje už pořádně silně a bude vibrovat ještě silněji s tím, jak přidáváte stále více tepla. U téhle dochází k tomu samému. V určitém okamžiku dojde k tomu, že tyto polární vazby, které k sobě poutají jednotlivé molekuly, přestanou být dostatečně silné na to, aby vydržely tyto vibrace. Jakmile tedy polární vazby již nebudou schopné udržet molekuly pohromadě, tak molekuly začnou klouzat jedna po druhé. Molekuly se tedy náhle začnou přesunovat. Ale stále budou k sobě přitahovány. Takže tahle se pohne sem a tahle se posune tam. Máte tu navíc i další molekuly, které se pohybují tímto směrem. Ale stejně jsou pořád přitahované jedna druhou. Je tomu tak i přesto, že jsme dodali dostatek kinetické energie k tomu, aby tyto vibrace mohly přerušit vazby mezi nabitými částmi molekul. Vibrace, tedy kinetická energie dodaná každé molekule, stále není dostatečně silná k tomu, aby molekuly úplně rozdělila. Začínají kolem sebe proklouzávat. K tomuto dochází již v tekutém skupenství. Máme tu spoustu atomů, které se chtějí navzájem dotýkat, ale zároveň jsou kluzké. Mají dostatek kinetické energie k tomu, aby po sobě mohly klouzat a rozbít tak tuto pevnou mřížkovou strukturu. Pokud přidáme ještě více kinetické energie, ještě více tepla, protože zatím je to stále roztok, tak molekuly vůbec nebudou schopné zůstat pohromadě. Nebudou ani schopné zůstat jedna blízko druhé. Když dodáte dostatek kinetické energie začne to vypadat takto. Molekuly se rozdělí a pak se začnou nezávisle pohybovat. Pohyb bude tím nezávislejší, čím více se vlastnosti plynu přibližují vlastnostem ideálního plynu. Ale obecně můžeme říci, že v plynech se molekuly nedotýkají. Ale mohou do sebe narazit. Ale mají samy o sobě tolik kinetické energie, že po nárazu 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 plyn vidět. Proč to je tak těžké? Protože molekuly plynu jsou od sebe velmi vzdálené. Takže při interakci se světlem se nechovají stejně, jako se chovají kapaliny nebo pevné látky. A když to stáhneme konkrétně na pevné látky... Tady tedy není vhodné použít jako příklad led. Je to z toho důvodu, že led a voda jsou jednou z několika málo situací, kdy má pevná látka menší hustotu než kapalina. Kvůli tomu led plave. To je tedy také důvod, proč ledovce neklesnou na dno oceánu. A rybníky nezamrzou až do dna. Ale většina kapalin má menší hustotu než voda. To je další důvod, proč přes kapalinu můžete často vidět o trochu lépe. A také nedochází k tak silnému rozptylu světla. Nechci do toho moc zabíhat. Podobné by to mohlo být i u pevné látky.. Ale u plynu je to nejvíc zřejmé. U vody tomu tak je. Voda jako kapalina má mnohem vyšší hustotu než voda v plynném skupenství. V plynném skupenství molekuly poskakují dokola, ale nedotýkají se. A díky tomu může látkou proniknout více světla. Teď je ještě otázka, jak změříme množství tepla, které je zapotřebí, aby se toto stalo s vodou? Pro snazší pochopení sem nakreslím fázový diagram. Fázový diagram je pěkný způsob, jak jednoduše popsat fázové přechody. Řekněme, že tohle je množství tepla, které dodávám, a tohle je teplota. Ke skupenským stavům se dostaneme za chvíli. Teplo je často označováno jako Q. Někdy se také mluví o změně tepla. Pak se používá písmeno H, malé anebo velké. a před H se ještě píše řecké písmeno delta. Delta znamená změnu. A někdy také můžete zaslechnout slovo entalpie. Napíši ho sem. Dříve jsem si říkával, co to vlastně je ta entalpie? Zní to trochu jako empatie, ale přitom je to něco úplně jiného. ...nebo já zde aspoň nevidím přímou souvislost... Nicméně entalpie má hodně společného s teplem. Entalpie je tepelný obsah. Pro naše účely stačí, když si pod změnou entalpie představíte změnu tepla. Stejně si myslím, že slovo entalpie bylo vymyšleno jenom pro zmatení studentů chemie a k zavedení dalšího neodvoditelného slova do jejich slovní zásoby. Nicméně nejlepší způsob, jak chápat entalpii, je jako tepelný obsah. Ve skutečnosti je změna entalpie jenom změna v teplotě. Schválně si vzpomeňte na všechny ty věci, kdy jsme mluvili o teplu, kinetické energii, potenciální energii a entalpii. Uslyšíte je v různých souvislostech a přitom si asi budete zoufat: přijde mi, že by se mělo řešit teplo a oni tady mluví o entalpii. Všechno to jsou ale formy energie. A všechny jsou měřené v Joulech. Existují ale i jiné jednotky. Nicméně tradiční jednotkou energie jsou Joule. Energii můžeme chápat jako schopnost vykonávat práci. A co je tedy jednotkou práce? Jouly. Síla krát vzdálenost. Tohle byla ale odbočka. Nicméně je dobré znát slovo entalpie. Obzvlášť v souvislosti s chemií, protože tam je používáno celkem často a dokáže být matoucí a neodvoditelné. Asi si teď říkáte, ale já nevím, jak si mám představit entalpii v mém životě. Úplně stačí, když o entalpii budete přemýšlet jako o tepelném obsahu. Pojďme dál. Tady na této ose máme teplo. Takže tady na začátku máme velmi málo tepla a čím jsme dále, tím víc tepla přibývá. A tady zaznamenávám teplotu. Takže řekněme, že za nízkých teplot jsem tady, a jak přidávám teplo, teplota roste. Teplota je vlastně průměrná kinetická energie. Domluvme se také, že tady máme pevné skupenství. Pevné skupenství nakreslím fialově. Fialově ne, to už tu mám. Použiji červenou. S tím jak přidávám teplo, stoupá teplota. Teplo je také forma energie. A co se stane, pokud dodám teplo těmto molekulám, jako jsem to udělal tady? Rozvibruji je, neboli je donutím k tomu, aby měly vyšší průměrnou kinetickou energii, a to je přesně to, co teplota měří - průměrnou kinetickou energii. Takže jak dodávám teplo pevnému skupenství, tak průměrná kinetická energie poroste. Napíši to sem. Tady jsem v pevném skupenství tedy v pevném skupenském stavu látky. A najednou se tady stane něco velmi zajímavého. Řekněme, že tohle je voda. A co se stane s vodou při nula stupních Celsia? Nula stupňů Celsia je to samé jako 273,15 Kelvina. To je tahle čára. K čemu tady dojde? Pevná látka se změní v kapalinu. Led se rozpustí. Neplatí to pro všechny pevné látky, teď se bavíme o vodě, tedy H₂O. Takže tady je v našem příkladu led. Ne všechny pevné látky tvoří led. Třeba kámen je v podstatě ztuhlé magma. Podobných příkladů můžeme najít spoustu. Teď se ale pojďme podívat, co se stane při nula stupních a co při sto stupních Celsia. V závislosti na tom, jakým směrem se pohybujete, dosáhnete buď teploty tání anebo teploty tuhnutí. Stane se tahle zajímavá věc. Jak přidávám teplo, neroste teplota. Přidávám teplo, ale po krátkou dobu nedochází k růstu teploty. Nakreslím to. Na chvíli tedy teplota zůstane stejná. Takže teplota je stále stejná a skupenství zůstává pevné. Stále se jedná o pevnou látku. A teprve po chvíli se pevná látka začne měnit v kapalinu. Řekněme, že právě tady. Takže jsme dodali určité množství tepla a stále jsme měli pevnou látkou. Ale nakonec došlo ke změně skupenství na kapalné. Led vlastně celou tu dobu tál. To je asi ten nejlepší způsob, jak si to představit. A pak, když dodáváme stále více a více tepla, tak se začne ohřívat i kapalina. A tady se dostáváme ke druhé zajímavé teplotě, při které dochází ke změně skupenství vody. Jasně, je to sto stupňů Celsia, nebo také 373 Kelvina. Budu používat stupně Celsia, protože jsme na ně zvyklí. K čemu tedy dojde? Sto stupňů Celsia je teplota, při které se voda začne vařit nebo tedy měnit v páru. Ale co se děje s molekulami? Molekuly už začínají být velmi kineticky aktivní. Ale stejně jako při přechodu z pevného skupenství do kapalného, je i tady určité množství energie, kterou musíte do systému přidat navíc. A ve skutečnosti je to v tomto bodě už docela velké množství. Tady se voda mění v páru, ale její teplota se nemění. Takže musíme nadále dodávat teplo, ale teplota stále neroste. Za chvilku si vysvětlíme, proč tomu tak je. A pak konečně, za tímto bodem je voda v celém svém objemu vypařená neboli je z ní pára. Teprve poté se pára začne ohřívat. Přidáváme tedy další teplo do systému a pára se začne ohřívat. Takže pokud přidáváte teplo tady, tak teplota roste. Ale zajímavé je, co se děje právě tady. Dodáváme teplo. Takže v téhle části proměňujeme teplo v kinetickou energii. Již jsme si řekli, že teplota je průměrná kinetická energie. Ale k čemu dochází tady? Teplo tu nedodává kinetickou energii systému. Teplota neroste. Ale led se proměňuje na vodu. Dochází tu k tomu, že energie, tedy teplo, se využívá na rozbití těchto vazeb. V podstatě dochází k přechodu molekul do vyššího energetického stavu. Co to znamená vyšší energetický stav? Řekněme, že 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. Ale když mě posadíte do letadla, tak mě vlastně uvedete do vyššího energetického stavu. Budu totiž mít více potenciální energie. Dá se říci, že mám potenciál padat přímo k Zemi. Podobné to bude, když budete chtít oddálit tyto molekuly a změnit pevnou látku na kapalinu, tak se molekuly budou chtít přiblížit k sobě zpátky. Ale protože mají hodně kinetické energie, tak toho nikdy zcela nedosáhnout. Ale jejich celková energie roste. Jejich potenciální energie je vyšší, protože se chtějí sobě přiblížit. Tímto přibližováním mohou teoreticky vykonat určitou práci. K čemu tedy dochází, když dodáváme teplo? Tohle dodané množství tepla nazýváme skupenským teplem tání. Jedná se o stále stejné množství tepla bez ohledu na to, kterým směrem jdeme. Pokud se pohybujeme od pevného skupenství ke kapalnému, říkáme, že se jedná o skupenské teplo 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 musíte odebrat z vody o teplotě nula stupňů Celsia, aby se proměnila v led. Takže vlastně odebíráte potenciální energii, a tím přimějete molekuly k tomu, aby si byly blíž. Další způsob, jak tomu rozumět, je, že tady teplo převádíme na kinetickou energii. Jakmile se tedy ocitnete v této fázi přeměny z pevného na kapalné skupenství, tak je teplo použito k dodání potenciální energie do systému. Tedy k odtažení molekul od sebe, Například pokud byste mě odtáhli od země, tak mi dodáte potenciální energii. Protože gravitace mě chce stáhnout zpět k zemi. A já mohu po cestě k zemi vykonat práci. Stejně jako třeba vodopád může vykonat práci. Může roztočit turbínu. Stejně tak turbínu mohlo rozpohybovat mnoho padajících lidí. A od okamžiku, kdy už máme jen kapalinu, tak se kapalina začne ohřívat. Tady se teplo opět využije pro zvýšení kinetické energie. Nutíte molekuly pohybovat se jedna kolem druhé stále rychleji a rychleji. Až do okamžiku, kdy se jedna od druhé chtějí úplně odpoutat. Už po sobě nechtějí jen tak klouzat, ale 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 toto množství tepla, tak pak začínáme ohřívat vzniklou páru. Už tedy jenom ohříváme plynnou vodu. A ta už se jenom stává stále víc a víc horkou. Pro mě byla zajímavé, když jsem se poprvé dozvěděl, jaké stavy jsou možné tady. Kdykoliv jsem přemýšlel o vodě při nula stupních, řekl jsem si: 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 byste mít vodu o sto stupních, která stále nebude párou. Pro změnu skupenství byste museli dodat více energie. Můžete mít páru o sto stupních. Můžete mít vodu při nula stupních. Každopádně, doufám, že vám to alespoň trochu pomohlo ujasnit si, co znamenají jednotlivé skupenské stavy látek. V další lekci se podíváme na to, kolik tepla přesně potřebujeme, abychom se mohli pohybovat po této lince. A možná taky určíme, kolik ledu potřebujeme, abychom si vychladili pití.
video