Termodinamică.Tranziţii de fază de speţa I

TERMODINAMICĂ.

TRANZIŢII DE FAZĂ DE SPEŢA I

1. Introducere

Faza este o porţiune dintr-un sistem care prezintă aceeaşi compoziţie şi aceleaşi

proprietăţi fizice în toate punctele sale.

Faza poate fi formată dintr-un singur tip de molecule (vaporii unui lichid, un

gaz, etc. ) sau din mai multe tipuri de molecule dacă amestecul este omogen până la

nivel molecular (soluţie nesaturată de zahăr în apă, cositorul - o soluţie solidă de Cu şi

Zn etc.).

Faza nu trebuie confundată cu starea de agregare.

De exemplu, fierul se poate găsi în diferite faze solide, în funcţie de

structura cristalină (CVC sau CFC).De asemenea, carbonul are două faze distincte,

diamantul şi grafitul, care au proprietăţi foarte deosebite.

Trecerea substanţelor dintr-o fază în alta se numeşte transformare de fază

sau tranziţie de fază.

Trecerea dintr-o stare de agregare în alta, dintr-o formă cristalină în alta, din

conductor în supraconductor, dintr-o stare în care substanţa are proprietăţi

feromagnetice într-o stare în care ea are proprietăţi paramagnetice sunt exemple de

tranziţii de fază.

După modul în care are loc tranziţia de fază, ele se pot clasifica în două tipuri:

Tranziţii de fază de speţa I, din care fac parte tranziţiile care se produc la o

anumită temperatură, cu absorbţie sau cedare de căldură numită căldură latentă. Din

acest tip fac parte transformările: vaporizarea-condensarea, topirea-solidificarea,

sublimarea-desublimarea, transformările polimorfe etc.

Tranziţiile de speţa a II-a, din care fac parte tranziţiile care se produc pe

un anumit interval de temperatură, în care absorbţia sau degajarea de căldură au

loc odată cu creşterea sau scăderea temperaturii. De fapt, tranziţiile de fază de

speţa a II-a sunt legate de fenomenele de ordonare în cristale.

Două sau mai multe faze sunt în echilibru (echilibru de fază) dacă la

contactul acestora masa fiecăreia se menţine constantă în timp.

Termodinamică.Tranziţii de fază de speţa I

2.Vaporizarea şi condensarea

2.1. Vaporizarea

Trecerea unei substanţe din faza lichidă în faza de vapori cu absorbţie de

căldură la temperatură constantă se numeşte vaporizare. Există mai multe

modalităţi de vaporizare a unui lichid în funcţie de condiţiile în care se face

experimentul:

-vaporizare în vid ;

- în atmosferă gazoasă, la suprafaţa lichidului ;

- vaporizarea în toată masa lichidului.

Prin vaporizare, lichidul este părăsit de moleculele care au energie cinetică

mare. Energia cinetică medie a moleculelor scade şi ca urmare are loc scăderea

temperaturii sale. Pentru ca vaporizarea să aibă loc la o temperatură constantă,

trebuie să se furnizeze lichidului căldură din exterior.

Cantitatea de căldură necesară pentru a vaporiza la temperatură constantă o

unitate de masă dintr-un lichid se numeşte căldură latentă specifică de vaporizare

λv.

V

Q

m (1)

Kg

JSIV 1

Vaporii saturanţi sunt vaporii aflaţi în echilibru dinamic cu lichidul din care

provin şi au presiune maximă.

Vaporii nesaturanţi sunt vaporii care nu sunt în contact cu lichidul propriu şi

au o presiune mai mică decât a vaporilor saturanţi la aceeaşi temperatură.

2.1.1 Vaporizarea în vid

Introducînd pe rând mici cantităţi dintr-un lichid (de exemplu eter) în

camera barometrică (Figura 1) se constată că vaporizarea în vid se face

instantaneu şi presiunea creşte (înălţimea coloanei de mercur scade) până când

apar vaporii saturanţi, adica lichidul rămâne deasupra mercurului fără să se mai

evapore, presiunea atingînd o valoare maximă şi constantă, pentru temperatura

experimentului, numită presiunea vaporilor saturanţi.

Termodinamică.Tranziţii de fază de speţa I

h Hg

Figura 1

Presiunea vaporilor saturanţi la o temperatură dată reprezintă presiunea de

echilibru (dinamic) care se exercită asupra suprafeţei unui lichid în contact cu

vaporii săi.

Presiunea vaporilor saturanţi este mai mare decât presiunea vaporilor

nesaturanţi la o temperatură dată. De aceea, ea mai este numită presiune maximă,

pmax.

Presiunea vaporilor saturanţi nu depinde nici de cantitatea fazei lichide, nici

de cantitatea de vapori, creşte cu temperatura şi depinde de natura lichidului (a

vaporilor).

2.1.2 Vaporizarea în atmosferă gazoasă

Dacă vaporizarea unui lichid se face într-un vas închis în care se găseşte un

gaz se constată că aceasta se face mai lent decât în vid şi presiunea vaporilor

saturanţi are aceeaşi valoare ca şi atunci când vaporizarea s-a făcut în vid.

Presiunea totală a amestecului este egală cu suma presiunilor parţiale ale gazului şi

vaporilor.

Vaporilor saturanţi nu li se aplică legile gazelor ideale.

Vaporilor nesaturanţi li se aplică legile gazelor ideale.

2.1.3. Evaporarea

Vaporizarea unui lichid prin suprafaţa sa liberă, într-o atmosferă nelimitată se

numeşte evaporare. Procesul de evaporare are loc neîntrerupt, presiunea vaporilor

tinzînd spre presiunea de saturaţie, pe care de fapt nu o atinge, moleculele

lichidului migrînd neîntrerupt spre straturile superioare ale atmosferei.

Viteza de evaporare (masa de lichid, sau volumul ce se evaporă în unitatea

de timp) este dată de expresia :

v = K 0p

)pp(S m (2)

Termodinamică.Tranziţii de fază de speţa I

S : aria suprafeţei la nivelul căreia se produce evaporarea.

k depinde de unităţile alese (dacă viteza se calculează ca debit de volum sau debit

masic), de natura substanţei, de viteza aerului la suprafaţa lichidului.

Lichidele care au viteză mare de evaporare se numesc volatile, acestea

avînd valori mari ale presiunii vaporilor saturanţi (pmax). Deoarece presiunea

vaporilor saturanţi creşte cu temperatura, rezultă că evaporarea se intensifică odată

cu încălzirea lichidului.

Dacă mediul ambiant este saturat cu vapori (p=pm), evaporarea nu are loc

(v=0). Evaporarea în vid (p0=0) se face instantaneu ( v ). Pentru ca evaporarea

să aibă loc, trebuie ca p<pm, dar şi ca p0>pm, deoarece în caz contrar lichidul

începe să fiarbă.

2.1.4. Fierberea lichidelor

Fierberea reprezintă procesul de vaporizare în tot volumul lichidului. În

acest proces un rol deosebil îl joacă bulele de gaz care se formează pe impurităţile

solide aflate în lichid, sau pe pereţii vasului care conţine lichidul. Condiţia care

trebuie îndeplinită pentru ca fierberea să aibă loc este ca presiunea vaporilor

saturanţi ai lichidului să devină cel puţin egală cu presiunea exercitată din exterior

asupra lichidului:

pmax≥pext (3)

Legile fierberii :

Temperatura la care fierbe un lichid, numită temperatură de fierbere, se menţine

constantă în timpul procesului şi depinde de presiunea exterioară.

Temperatura de fierbere depinde de natura lichidului.

Pentru a avea loc fierberea lichidelor este indispensabilă prezenţa bulelor de

gaz, care o mijlocesc. Dacă într-un lichid lipsesc bule de gaz, lichidul poate să nu

fiarbă, chiar dacă este încălzit până la temperatura de fierbere corespunzătoare

unei anumite presiuni. Un astfel de lichid se numeşte supraîncălzit, iar dacă în el

se introduc mici particule solide, care permit formarea bulelor de gaz, lichidul

începe să fiarbă violent şi temperatura lui coboară la temperatura de fierbere.

Termodinamică.Tranziţii de fază de speţa I

2.2.Condensarea. Lichefierea

Condensarea (Lichefierea )este tranziţia de fază inversă vaporizării.

(Lichefierea dacă în condiţii normale substanţa este gazoasă, condensarea

dacă în condiţii normale substanţa este lichidă).

Pentru ca un gaz să poată fi lichefiat, acesta trebuie să se afle la temperaturi

mai mici decât temperatura critică, TC, dar şi presiuni mai mari decât pt

corespunzătoare punctului triplu.

În procesul condensării (lichefierii), temperatura lichidului creşte, deoarece

se reîntorc în lichid molecule cu energie cinetică mare. Pentru ca procesul să

rămână izoterm lichidul trebuie să cedeze o cantitate de căldură în exterior, egală

cu căldura latentă de condensare.

Procesul este favorizat de prezenţa unor centri de condensare (particule de

praf, picături de lichid, bule de gaz, ioni).

Vaporizarea şi condensarea sunt procese inverse. λv=λc.

2.3.Izotermele Andrews

Andrews a reuşit să lichefieze dioxidul de carbon,măsurând, pe parcursul

lichefierii,dependenţa presiunii din incinta în care se afla acesta în funcţie de

volum, în condiţii izoterme.

El a constatat că, pentru temperaturi peste TC=30,92 0C,dioxidul de carbon

nu poate fi lichefiat. (TC este temperatura critica pentru dioxid de carbon).

În figura 2 sunt reprezentate izotermele Andrews.

Figura 2

Termodinamică.Tranziţii de fază de speţa I

Zona I. La temperaturi peste temperatura critică,substanţa este- indiferent de

volum- în stare gazoasă;

Zona II. La temperaturi sub temperatura critică si presiuni scăzute, substanţa

este tot în stare gazoasă ,dar comprimarea izotermă o poate transforma în lichid

Zona III. Dioxidul de carbon este în stare lichidă . Orice tentativă de

micşorare în continuare a volumului conduce la creşterea foarte rapidă a presiunii

din incintă.

3. Topirea şi solidificarea

Procesul de trecere a unui corp din fază solidă în fază lichidă se numeşte

topire. Procesul invers se numeşte solidificare.

Din punct de vedere a structurii lor, corpurile se împart în două categorii: amorfe

şi cristaline. Topirea corpurilor amorfe (sticla, ceara, smoala)nu are loc la o

temperatură constantă, ci pe un interval de temperatură. Mai întâi corpul se

înmoaie şi apoi devine o pastă vâscoasă, ca mai apoi, la o temperatură mai mare,

să devină lichid cu vâscozitate mică.

La topirea corpurilor cristaline se constată că temperatura rămâne constantă, dacă

presiunea nu se modifică .

La început temperatura creşte proporţional cu căldura primită din

exterior.(Figura 3).

La un moment dat în vas apare o picătură de lichid; din acest moment

temperatura sistemului nu se mai modifică deşi primeşte căldură din exterior. În

vas coexistă cele două faze: solidă şi lichidă. Încălzind mai departe, lichidul

obţinut prin topire, temperatura lui începe să crească din nou.

Figura 3

Legile topirii:

1.La presiune normală, fiecare corp solid se topeşte la o anumită temperatură,

numită temperatură de topire;

2.Tot timpul topirii temperatura rămâne constantă;

Temperatura de topire depinde de presiune :

-creşte cu presiunea la corpurile care-şi măresc volumul prin topire (regula

Termodinamică.Tranziţii de fază de speţa I

generală)

-scade cu creşterea presiunii la corpurile care-şi micşorează volumul prin topire

(excepţie ) –apa.

Căldura necesară topirii unităţii de masă dintr-un corp la temperatura de

topire şi în condiţii normale de presiune şi temperatură se numeşte căldură latentă

de topire λt. Această căldură nu conduce la o creştere a temperaturii, ci este

folosită sub formă de lucru mecanic efectuat pentru ruperea reţelei cristaline.

Căldura eliberată prin solidificarea unităţii de masă în condiţii normale de

presiune şi temperatură se numeşte căldură latentă de solidificare λs.. (λt.= λs.).

4. Sublimarea şi desublimarea

Trecerea substanţei solide direct în vapori se numeşte sublimare, iar

procesul invers, desublimare. De exemplu, naftalina, camforul, iodul, sulful,

bromul, la temperaturi şi presiuni obişnuite se vaporizează fără a se topi. În

principiu, orice substanţă poate sublima, doar că la unele presiunea de vapori este

mică. Dacă vaporii proveniţi din procesul de sublimare sunt în echilibru dinamic

cu solidul din care au provenit, ei se numesc vapori saturanţi.

Sublimarea are loc cu absorbţie de căldură (căldura latentă de sublimare),

egală cu suma căldurilor latente de topire şi vaporizare.

Desublimarea are loc cu eliberare de căldură (căldura latentă de

desublimbare), egală cu cea de sublimare.

5.Diagrama de echilibru a unei substanţe. Punctul triplu.

Punctul de intersecţie al curbelor de vaporizare, de topire şi de sublimare ale

unei substanţe se numeşte punct triplu al substanţei respective. În acest punct

coexistă cele trei stări de agregare.

p p

t t

T T

solid

vapori

solid

vapori

lichidlichid

Figura 4 Figura 5

Diagrama de echilibru pentru o substanţă care-şi măreşte volumul la topire

este dată de figura 4, iar pentru o substanţă care-şi micşorează volumul la topire

este prezentată în figura 5.

Comportarea substanţelor în condiţii obişnuite de temperatură şi presiune,

Termodinamică.Tranziţii de fază de speţa I

depinde de cum este valoarea presiunii pt în punctul triplu faţă de presiunea

obişnuită ( presiunea normală p0):

Dacă pt<p0 , atunci, încălzind substanţa, aceasta trece succesiv prin cele

trei stări de agregare: solidă-lichidă-gazoasă.

Dacă pt>p0, atunci, încălzind substanţa, ea trece direct din faza solidă în

faza de vapori.

Cel mai cunoscut punct triplu, cel al apei. Punctul triplu al apei pure este

0.010C si 4.58 mm coloana de mercu..

Figura 6 . Punctul triplu al apei

6.Aplicaţii :

Roua : Prin răcirea aerului, vaporiii de apă existenţi la suprafaţa solului

condesnsează, formându-se picături de apă.

Bruma : Condensarea vaporilor de apă, care apoi îngheaţă.

Oala sub presiune: Introducerea acestui sistem de gătit se datorează

prototipului inventatorului francez Denis Papin (1679).

Principiul de funcţionare se bazeazăf aptul că, punctul de fierbere al apei

depinde de presiune.

Gheaţa carbonică: este o formă solidă a dioxidului de carbon. Când ajunge

la temperaturi sub −56.4 °C și presiuni mai mici de 5.13 atm, dioxidul de carbon,

trece de la o formă solidă la o formă gazoasă – sublimează. Temperatura scăzută și sublimarea directă a gazului face din gheața carbonică un eficient lichid de răcire,

fiind mai rece decât gheața și totodată nelăsând nici un reziduu.

Termodinamică.Tranziţii de fază de speţa I

Test de autoevaluare

Stabiliţi valoarea de adevăr a afirmaţiilor:

1.Faza este o porţiune dintr-un sistem care prezintă aceeaşi compoziţie şi

aceleaşi proprietăţi fizice în toate punctele sale. 2. Trecerea unei substanţe din faza

lichidă în faza de vapori cu cedare de căldură la temperatură constantă se numeşte

vaporizare.(F)

3. Vaporii saturanţi sunt vaporii aflaţi în echilibru dinamic cu lichidul din

care provin şi au presiune minimă (F).

4. Vaporizarea şi condensarea sunt procese inverse.(A)

5. La topirea corpurilor cristaline se constată că temperatura rămâne

constantă, dacă presiunea se modifică .(F)

6. Căldura eliberată prin solidificarea unităţii de masă în condiţii normale de

presiune şi temperatură se numeşte căldură latentă de solidificare (A)

7. Trecerea substanţei solide direct în vapori se numeşte sublimare, iar

procesul invers, desublimare.(A)

8. Sublimarea are loc cu cedare de căldură. (F)

9. Punctul de intersecţie al curbelor de vaporizare, de topire şi de sublimare

ale unei substanţe se numeşte punct triplu al substanţei respective.(A)

10. Punctul de intersecţie al curbelor de vaporizare, de topire şi de

sublimare ale unei substanţe se numeşte punct triplu al substanţei respective.(A)

Răspunsuri:

1. A; 2. F; 3.F; 4.A; 5.F; 6.A; 7.A; 8.F; 9.A; 10.A