Proč při změně fáze zůstává teplota konstantní

Autor: Steven Holzner

Díky fyzice to víme p hase změny nastat, když materiály mění skupenství, přecházejí z kapaliny do pevné látky (jako když voda zamrzá), pevné látky do kapaliny (jako když se horniny roztaví na lávu), kapaliny do plynu (jako když vaříte vodu na čaj) atd. Když se dotyčný materiál změní na nový stav - kapalný, pevný nebo plyn (můžete také počítat do čtvrtého stavu: plazma, stav podobný přehřátému plynu) - do procesu vstupuje nebo z něj vychází určité teplo, aniž by se změnila teplota.



Můžete dokonce mít pevné látky, které se promění přímo v plyn. Jak se suchý led (zmrazený plynný oxid uhličitý) zahřívá, mění se na plynný oxid uhličitý. Tento proces se nazývá sublimace.



Představte si, že klidně pijete limonádu na venkovní zahradní párty. Popadnete trochu ledu, abyste ochlazili limonádu, a směs ve vaší sklenici je nyní napůl ledová, napůl limonádová (u které můžete předpokládat, že má stejné měrné teplo jako voda), s teplotou přesně 0 stupňů Celsia.

Když držíte sklenici a sledujete akci, led se začne tát - ale obsah sklenice nemění teplotu. Proč? Teplo (tepelná energie) přicházející do skla z vnějšího vzduchu taje led a směs se neohřívá. Tím se vytvoří rovnice pro tepelnou energii



image0.png

Zbytečný? Vůbec ne - znamená to jen, že rovnice neplatí pro fázovou změnu.

Pokud zobrazíte graf tepla přidaného do systému versus teplota systému, graf se obvykle svažuje nahoru; přidání tepla zvyšuje teplotu. Graf se však během fázových změn vyrovnává, protože na molekulární úrovni vyžaduje vytvoření stavu změny látky energii. Po změně stavu všech materiálů může teplota opět stoupat.



Fázové změny vody.Fázové změny vody.

Představte si, že někdo vzal pytel s ledem a bezmyšlenkovitě ho položil na sporák. Předtím, než narazil na sporák, měl led teplotu pod bodem mrazu (–5 stupňů Celsia), ale být na sporáku to brzy změní. Změnu, která se odehrává ve formě grafu, vidíte na obrázku. (Specifické teplo ledu je kolem 2,1 x 103J / kg-C)

image2.png

že teplota ledu se bude lineárně zvyšovat, když do něj přidáte více tepla, jak vidíte na grafu.

Když však led dosáhne 0 stupňů Celsia, led se příliš zahřeje, aby udrželo svůj pevný stav, a začne se tavit a prochází fázovou změnou. Když tavíte led, rozbití struktury krystalického ledu vyžaduje energii a energie potřebná k roztavení ledu se dodává jako teplo. Proto se graf na obrázku uprostřed vyrovná - led se taje. Aby se fáze změny ledu změnila na vodu, potřebujete teplo, takže i když kamna dodávají teplo, teplota ledu se nemění, když se roztaví.

Když sledujete pytel s ledem na sporáku, všimnete si, že veškerý led se nakonec roztaví ve vodu. Protože kamna stále dodávají teplo, teplota začíná stoupat, což vidíte na obrázku. Kamna dodávají vodě stále více tepla a časem začne voda bublat. Aha, myslíš. Další fázová změna. A máte pravdu: voda vaří a stává se párou. Taška, která drží led, vypadá docela pružně a rozšiřuje se, zatímco se voda mění na páru.

Změříte teplotu vody. Fascinující - i když voda vaří a mění se v páru, teplota se nemění. Ještě jednou musíte přidat teplo, abyste podnítili fázovou změnu - tentokrát z vody na páru. Na obrázku vidíte, že když přidáváte teplo, voda vaří, ale její teplota se nemění.

Co se stane dál, protože taška nabobtná na obrovský objem? Nikdy to nezjistíte, protože taška nakonec exploduje.