TRANSFORMĂRI TRANSFORMĂRI DEDE STARE STARE DE AGREGAREDE AGREGARE

• Topire – Solidificare• Vaporizare – Condensare• Sublimare – Desublimare• Distilare• Punctul triplu al apei• Precipitaţii atmosferice

Prof. Ştefan Poncea,Şc. “Episcop Dionisie Romano”, Buzău

Lecţie pentru cls. a VIII- a

TRANSFORMĂRI DE STARE DE AGREGARE

Substanţele sunt clasificate, după starea lor de agregare, în solide, lichide şi gaze. În condiţii normale unele substanţe se găsesc în stare solidă: fierul, plumbul, sticla etc, altele în stare lichidă: apa, alcoolul, benzina, altele în stare gazoasă: aerul, oxigenul, metanul etc.

Dacă analizăm structurile interne ale stărilor şi mişcările moleculare ce au loc în substanţe, constatăm că între diferite stări ale substanţei există deosebiri, dar şi asemănări. În solide există o aşezare ordonată a atomilor în structuri regulate pe întinderi mari, care sunt stabile în timp, la lichide atomii prezintă structuri ordonate pe întinderi mici (ordine locală) şi pe durate scurte, la gaze nu există nicio ordine. Din punct de vedere al mişcărilor moleculare, la solide mişcarea este redusă la mici vibraţii, la lichide apar pe lângă vibraţii şi mici mişcări de translaţie, iar la gaze predomină mişcările de translatie.

În anul 1869, fizicianul irlandez Thomas Andrews a reuşit, prin răcirea şi comprimarea concomitentă a dioxidului de carbon, să-l transforme din stare gazoasă în stare lichidă (lichefiere). El a efectuat o serie de comprimări izoterme ale dioxidului de carbon şi a constatat că dacă temperatura gazului este mai mare decât 31˚C, gazul respectă legea Boylle-Mariotte. Dacă temperatura gazului este mai mică de 31˚C, se constată că prin comprimarea gazului, la un moment dat, încep să apară picături de lichid, iar presiunea rămâne aproximativ constantă, deşi volumul se micşorează.

În procesele de transformări de fază este importantă energia care se schimbă prin absorbţie sau cedare de căldură, pentru a modifica starea cinetico-moleculară şi structura internă a substanţei. În majoritatea cazurilor energia pusă în joc este sub formă de căldură.

Diagrama de fază presiune - températură a dioxidului de carbon(punctul critic=31,1˚C)

Lichefierea dioxidului de carbon

TOPIREA ŞI SOLIDIFICAREA

Topirea este fenomenul de trecere a unui corp din faza solidă în faza lichidă, iar solidificarea este transformarea inversă. Distingem două tipuri de topire:a) topirea corpurilor amorfe se produce printr-o înmuiere treptată a b) corpului până se ajunge la faza lichidă: sticla, ceara, smoala etc. b) topirea corpurilor cristaline (topirea neta) se produce prin trecerea bruscă

în faza lichidă la o temperatură bine precizată: metalele, gheaţa etc.

Topirea neta respectă urmatoarele legi:

a) la o presiune dată, topirea are loc întotdeauna la aceeaşi temperatură, numită temperatură de topire(este o caracteristică a substanţei. b) în tot timpul topirii temperatura substanţei rămâne constantă. c) temperatura de topire este influenţată de presiunea la care este supusă substanţa.

d) În timpul topirii volumul substanţei se modifică. Există substanţe al căror volum scade în urma topirii: apa, fonta, argintul, bismutul, dar majoritatea substanţelor îşi măresc volumul prin topire. Se cunoaşte foarte bine că apa care îngheaţă într-o sticlă o sparge deoarece în timpul solidificării apei volumul acesteia creşte. Dacă se toarnă parafină topită într-o eprubetă, după solidificare se constată că nivelul acesteia a scăzut. În industrie trebuie să se ia în consideraţie variaţia volumului la solidificare pentru a nu se obţine piese mai mici, în urma turnării metalelor în forme (metalurgie) e) Căldura primită de substanţă în timpul topirii are aceeaşi valoare cu cea cedată de aceeaşi substanţă în timpul solidificării: Qt=QsTemperatura de topire poate fi modificată prin realizarea unor aliaje de concentraţii bine definite, astfel, aliajul de plumb şi cositor are temperatura de topire mai mică decât a fiecărui metal.

VAPORIZAREA ŞI CONDENSAREA

Fenomenul prin care o substanţă lichidă este transformată în faza gazoasă se numeşte vaporizare. Substanţa lichidă care a fost transformată în faza gazoasă se prezinta sub denumirea de vapori. Procesul de trecere a vaporilor în lichid se numeşte condensare, iar procesul de transformare a unui gaz în lichid se numeşte lichefiere.

FIERBEREAFierberea este procesul de vaporizare în întreaga masă a lichidului, vaporii se formeaza oriunde în interiorul lichidului. Prin încălzirea treptată a apei din balonul de sticlă se pot observa următoarele: a) pe pereţii vasului apar mici bule de aer;b) pe masură ce temperatura creşte, bulele se măresc, se desprind de pereţi şi urcă spre suprafaţă; în straturile superioare unele bule se micşorează şi dispar, producând un zgomot caracteristic - apa “cântă”; c) la o anumită temperatură (100˚C) bulele ajung la suprafaţa lichidului şi din acest moment temperatura ramâne constantă (a început fierberea).

Explicaţia acestor observaţii se face astfel: în bulele de aer pătrund vapori de lichid a căror cantitate se măreşte pe măsură ce creşte temperatura, mărind astfel volumul bulelor ce se ridică spre suprafaţă. În straturile superioare temperatura lichidului fiind mai mică determină condensarea vaporilor, fenomen urmat de creşterea temperaturii lichidului. Când lichidul se omogenizează termic, bulele nu se mai "sparg" în interior, ajung la suprafaţă şi se declanşează fierberea propriu-zisă. Din acest moment temperatura nu mai creşte deoarece întreaga căldură primită de lichid este utilizată pentru vaporizare:

Explicarea fierberii

Temperatura de fierbere depinde de substanţa care se vaporizează, dar care poate fi influenţată de presiunea vaporilor. Astfel, la presiuni mari apa nu fierbe decât la temperaturi ce pot depăşi 300˚C, fiind utilizată la sterilizarea umedă a ustensilelor medicale (autoclave). Dacă presiunea vaporilor este redusă mult, temperatura de fierbere are valoare foarte coborâtă putând ajunge la situaţia în care apa îngheaţă în timp ce fierbe.

Această proprietate este utilizată la fierberea forţată la temperaturi mici a unor substanţe care s-ar descompune la temperatură normală de fierbere. Faptul că fiecare lichid are o temperatură specifică de fierbere şi că în timpul fierberii temperatura lichidului nu creşte, este utilizat la distilarea fraţionată a unui amestec de lichide: distilarea alcoolului, distilarea petrolului etc.

Autoclavă utilizată pentru sterilizarea instrumentarului medical

Presiunea influienţează punctul de fierbere al substanţelor

EVAPORAREA Fenomenul prin care se realizează vaporizarea numai la suprafaţa liberă a lichidului se numeşte evaporare. Este cunoscut că dacă se lasă o farfurie cu apă, la temperatura normală, după un timp apa dispare din farfurie. Condiţiile care trebuie îndeplinite pentru a se produce evaporarea sunt: -mediul ambiant să nu fie saturat cu vaporii lichidului, presiunea vaporilor existenti p să fie mai mică decât presiunea de saturaţie pm, la acea temperaturî; -presiunea atmosferică H să fie mai mare decât presiunea de saturatie (H>pm).Întrucât lichidul se poate evapora mai repede sau mai încet, se defineşte viteza de evaporare ca fiind egală cu masa de lichid ce se evaporă în unitatea de timp: Viteza de evaporare depinde de următoarele mărimi: -este proporţională cu aria suprafeţei libere a lichidului;-este proporţională cu diferenţa presiunilor pm-p ;-este invers proporţională cu presiunea atmosferic H de deasupra lichidului. unde K este o constantă care depinde de unităţile de măsură alese.

Este evident că viteza de evaporare depinde de natura lichidului care se vaporizează, dar acest lucru este inclus în presiunea pm a vaporilor saturanţi. Deasemenea, viteza de evaporare depinde şi de viteza aerului de deasupra lichidului, dar aceasta este inclusa în diferenta (pm-p), deoarece dacă există o buna circulaţie a aerului se micşorează cantitatea de vapori de deasupra lichidului. Se ştie că rufele se usucă mult mai repede când bate vântul, decât atunci când nu bate. Când este ger rufele se usucă repede deoarece cantitatea de vapori din atmosferă este mică.

Harta radiaţiei solare la nivelul terestru

Starea triplă

Echilibrul fazelor se stabileşte când două faze ale aceleiaşi substante, aflate în contact, în aceleaşi condiţii de presiune şi temperatură, masa fiecărei faze rămânând constantă. Dependenţa dintre presiune şi temperatură pentru curbele de-a lungul cărora se realizează echilibrul a două faze se numesc diagrame de stare. Pentru diagrama de fază lichid-vapori este specifică stării critice peste care nu este posibilă starea de echilibru dintre faza lichiddă şi cea gazoasă. Procesul de trecere a substanţelor din faza solidă direct în faza gazoasă se numeşte sublimare, iar căldura latentă este egală cu suma dintre căldura latentă de topire şi căldura latentă de vaporizare. În planul p-T există un singur punct care reprezintă starea unică în care se află, în echilibru, toate cele trei faze ale unei substanţe, solidă, lichidă şi gazoasă - acest punct reprezintă starea triplă a substanţei respective.  

Pentru fiecare substanţă există o singură pereche de valori presiune−temperatură la care solidul, lichidul şi vaporii săi pot coexista în echilibru: punctul triplu.

Substanţa

Temperaturapunctuluitriplu(K)

Presiuneapunctuluitriplu(kPa)

N2 63,18 12,53

O2 54,36 0,152

CO2 216,55 517,2

H2O 273,16 0,610

Temperatura punctului triplu al apei este 0,01°C. Un mic termos, în care s−a pus apă purificată, s−a scos aerul şi s−a sigilat, se stabileşte la parametrii punctului triplu.

Temperatura punctului triplu al apei este 0,01˚C

Celulă pentru realizarea condiţiilor punctului triplu al apei

Câtă vreme există în termos apă, gheaţă şi vapori, temperatura acestuia este cu siguranţă 0,01°C. Un termometru poate fi etalonat foarte preces introducându−l într−un astfel de termos

Sublimarea şi desublimarea

Urmăriţi ca temperatura apei să nu depăşească 75°C, menţinând astfel naftalina solidă. Observaţi ce se întâmplă în interiorul paharului care acoperă naftalina.

Pentru a se desprinde din solid, o moleculă trebuie să primească suficientă energie: pentru desprinderea moleculei din legăturile stării solide (ca în cazul topirii) şi pentru eliberarea completă a moleculei (ca în cazul vaporizării)Sublimarea are loc cu absorbţie de căldură (căldura latentă de sublimare), egală cu suma căldurilor latente de topire şi vaporizare. La revenirea moleculelor în solid, forţele de atracţie intermoleculare efectuează lucru mecanic − se eliberează energie. Toate substanţele solide sublimează. În cazul celor cu miros puternic, sublimarea este evidentă la presiune normală şi temperaturi obişnuite. La altele, sublimarea este mai lentă. Mărind temperatura solidului, agitaţia termică devine mai intensă. Tot mai multe molecule vor părăsi solidul în fiecare secundă: viteza de sublimare creşte.

Explicarea sublimării

Distilarea Distilarea este procesul de trecere a unui amestec lichid în stare de vapori prin fierbere urmată de condensarea vaporilor formați.Distilarea este un procedeu fizic de purificare, ce se produce în 2 etape:etapa I: trecerea din stare lichidă în stare gazoasă; etapa II: trecerea din stare gazoasă în stare lichidă.Distilarea este folosită în special pentru a separa un component lichid dintr-un amestec de lichide cu puncte de fierbere diferite.

Separarea şi purificarea lichidelor prin distilare se bazează pe diferenţa de volatiliate a diferitelor lichide dintr-un amestec şi pe faptul că in timpul distilării unei substaţe pure, temperatura de distilare rămâne constantă, dacă presiunea nu variază. Eficacitatea unei distilări depinde de o serie de factori care pot fi: diferenţa presiunii vaporilor componentelor amestecului lichid, volumul probei de distilare, aparatul folosit, precum şi posibilitatea de formare a unor amestecuri azeotrope.

AlambicInstalaţie de distilare

PRECIPITAŢIILE ATMOSFERICE

Nori Cumulus humilis în prim-plan şi Cumulonimbus în fundal

Soarele este principala cauză a dinamicii termice a atmosferei ce asigură circuitul apei în natură. →

Tabloul general al transformărilor de fază ale apei la nivel planetar

Picături de rouă(stânga)

şi de ploaie(dreapta)

PRECIPITAŢIILE ATMOSFERICE

Precipitaţiile iau naştere când picăturile ce formează norii ating diametrul de 0,1mm, fiind capabile astfel să scape de influienţa curenţilor ascendenţi. Creşterea dimensiunii particulelor se face fie prin transformarea picăturilor existente în nuclee de condensare, fie pe baza sarcinilor electrice ale picăturilor de apă.

Repartizarea precipitaţiilor medii multianuale pe Terra

1.  În funcţie de mărimea picăturilor şi viteza de cădere:- precipitaţii cu caracter general (ploi şi ninsori obişnuite, cu căderi uniforme şi continue);- averse (de ploaie, zăpadă, lapoviţă) – cu picături mari şi cu variaţii de intensitate şi de viteză;- burniţe – numai precipitaţii lichide cu picături foarte mici.2.    După compoziţie:- lichide – ploaia, aversa de ploaie şi burniţa;- solide – ninsoarea, aversa de zăpadă, lapoviţa, aversa de lapoviţă, acele de gheaţă, grindina (se formeaza în norii cumulonimbus).

3.    După geneză:- ploi convective – sub formă de averse (se formează la Ecuator în fiecare zi şi la latitudini medii numai vara);- ploi frontale – cele care însoţesc fronturile atmosferice (sunt caracteristice depresiunilor extratropicale);- ploi musonice – caracteristice musonului de vară (cad timp de 6 luni şi in cantitati foarte mari);- ploi ciclonice – cele care însoţesc ciclonii tropicali.

Clasificarea precipitaţiilor

Precipitaţii orizontale:- roua – se formează în nopţile de vară când peste suprafaţa răcita a Pământului se deplasează o masă umedă de aer. Condiţia ca să se formeze roua este să fie cald şi să nu bată deloc vântul;- bruma – se realizează în aceleaşi condiţii ca şi roua, dar temperatura aerului şi a suprafeţei trebuie să fie negativă(sub 0˚C) - chiciura (promoroaca) – este rezultatul îngheţării picăturilor de apă ce formează ceaţa.

Fantastica geometrie a fulgilor de nea… şi o grindină de 6 cm(jos)

Ceaţa este tot o precipitaţie orizontală – un complex de picături fine de apă, rezultat al condensării vaporilor în apropierea suprafeţei terestre. Prezenţa ceţii reduce vizibilitatea sub 1 km.Condiţiile de formare a ceţii sunt: saturaţia aerului cu vapori de apă şi scăderea temperaturii până la atingerea punctului de rouă. Saturaţia se poate produce prin evaporare sau prin răcirea aerului. O influenţă deosebită o are şi vântul cu viteze de până la 2 – 3 m/s, care determină creşterea vitezei de evaporare. Dimensiunea picăturilor de apă este de la caţiva microni la 60 microni. La temperaturi pozitive, diametrul este între 10 – 30 microni, iar la temperaturi negative, sub 10 microni.

În funcţie de vizibilitatea orizontală se stabilesc patru tipuri de ceaţă:- ceaţă slaba – cu vizibilitate cuprinsă între 500 şi 1000 de metri;- ceaţă moderată – cu vizibilitate cuprinsă între 200 şi 500 de metri;- ceaţă densă – cu vizibilitate cuprinsă între 50 şi 200 de metri;- ceaţă foarte densă – cu vizibilitate mai mică de 50 de metri. La ceaţa slabă, într-un cm3 de aer sunt 10 picături de apă, pe când la ceaţa foarte densă sunt până la 50 de picături de apă.

CEAŢA

Ceaţă acoperind pe înserat Tower Bridge (Podul Turnului) din Londra

Ceața este un fenomen meteorologic formată dintr-o aglomerație de particule de apă aflate în suspensie în atmosferă în apropierea suprafaței solului, care reduce vizibilitatea orizontală sub 1.000 de metri.

La o temperatură dată, cantitatea de vapori de apă din aer se poate mări substanțial (de exemplu, în urma evaporării intense a apei din sol), până când vaporii devin saturați. De cele mai multe ori, vaporii de apă nu ating punctul de saturație doar datorită evaporării și/sau condensării, dar pot deveni saturați prin răcire, dacă temperatura aerului coboară mai jos de așa-numitul "punct de rouă", care este temperatura la care vaporii de apă din aer, aflați la o presiune constantă, devin saturați și încep să apară primele picături de lichid. În această stare, din cauza suprasaturării, vaporii nu mai pot să se afle numai în stare gazoasă și încep să se condenseze în mici picături de apă care, fiind în suspensie în diferite straturi de aer aflate deasupra suprafaței solului, micșorează transparența aerului, provocând fenomenul căruia i se spune ceață. Când vizibiltatea orizontală este cuprinsă între 1.000 m și 5.000 m avem de-a face cu fenomenul numit negură sau pâclă .

Mecanismul formării ceţii

Uneori particulele de apă din aerul de la suprafața solului refractă astfel lumina, încât aceasta apare opalescentă, lăptoasă.Ceața este mai frecventă toamna și primăvara, când temperaturile sunt mai scăzute și vaporii ating starea de saturație la o cantitate mult mai mică în unitatea de volum decât în timpul verii. Ceața se formează îndeosebi dimineața și seara.Ceața se formează mai frecvent în văi unde temperatura este mai scăzută și umiditatea este mai mare. Practic, ceața este un nor aflat în contact cu solul. Ceața se distinge față de nori numai datorită faptului că norul nu atinge suprafața pământului. Același nor, considerat astfel de la altitudini joase, poate deveni ceață la altitudini mai înalte, de exemplu pe vârful unor dealuri sau munți.

Condițiile de formare a ceții sunt strâns legate de existența concomitentă a umidității de la sol (între 90-100%), un vânt în general calm sau cu viteză de până la 3 m/s și a unei inversiuni termice (creșterea cu înalțimea a temperaturii aerului) la sol. Din punct de vedere al cauzei formării ceții pot fi distinse cauze termice și cauze dinamice. Astfel, răcirea radiativă produsă în timpul nopții poate fi enumerată ca principală cauză termică, iar advecția termică (deplasarea unei mase de aer cu o anumită temperatură peste o masă de aer cu temperatură diferită), ca principală cauză dinamică.

Transformări de stare ale apei la scara planetară Aerul de la suprafaţa solului încărcat cu vapori de apă este antrenat prin mişcări ascendente spre păturile mai înalte ale oceanului aerian, unde presinea atmosferică este mai scăzută. Datorită acestui fapt moleculele de aer vor suferi un proces de destindere, ceea ce va determina implicit o scădere a temperaturii, chiar dacă nu se pierde energia termica.Treptat,vaporii de apă vor atinge în acest fel starea de saturaţie şi vor condensa sau vor sublima dând naştere norilor. Mecanismul de formare a norilor este mai complex şi nu se reduce numai la procesul de convecţie termica descris. Adesea puternice sisteme noroase se pot dezvolta în momentul când aerul rece pătrunzând sub o masă de aer cald, o forţează să se ridice brusc. Şi în acest caz se va produce o destindere a moleculelor de aer, o răcire şi deci un proces de condensare sau sublimare, din care vor rezulta nori cu o mare dezvoltare pe verticală. De data asta norii formaţi se datoresc convecţiei dinamice.

NORII

Aspectul att de variat al norilor a trezit interesul oamenilor de ştiinţă, dar abia pe la începutul sec. al XIX-lea au fost stabilite primele criterii de clasificare a lor.Astfel, în 1802, celebrul naturalist francez Jean-Baptiste de Monnet-Lamark(1744-1829) publica în Anuarul Meteorologig al Franţei o primă clasificare a norilor, împărţindu-i în cinci grupe, după forma şi înălţimea lor. În 1803, farmacistul englez Lucke Howard(1772-1864) stabileşte un criteriu de clasificare şi mai reprezentativ, legând forma şi dimensiunile norilor de declanşarea precipitaţiilor atmosferice. El adoptă pentru prima dată denumirile latine, devenite apoi internaţionale: Cirrus, Stratus, Cumulus, Cirrocumulus, Cirrostratus, Nimbus etc.

Denumirile norilor

Clasificarea norilor A. După formă:tipul cumulus: nori sub formă de grămezi izolate, bine individualizate, cu sau fără contur precis; tipul stratus: nori cu aspect de pânză continuă; tipul stratocumulus: grămezi compacte, sudate cu aspect de valuri.B. După înălțime:norii superiori: cirrus, cirrostratus, cirrocumulus(plafon 5 - 10 km,12-13 când e furtună); norii mijlocii; altostratus, altocumulus(plafon 2 - 5 km); norii inferiori: stratocumulus, stratus, nimbostratus(plafon 0 - 2 km); norii de convecție verticală.

Nori Stratus

Nori Cumulonimbus Nori Cumulus

Nori Stratocumulus

http://sciences-physiques.ac-dijon.fr/documents/Flash/cycle_eau/cycle_eau.swf

Bibliografie:

Material didactic auxiliar ce poate fi utilizat pentru cls. a VIII-a la cap. Transformări de stare, la lecţie şi/sau la recapitulare. Elevii interesaţi au un punct(şi un model) de pornire pentru o documentare avansată de pe internet. Sper să le fie de folos.