Materia może istnieć w jednym z kilku różnych stanów, w tym w stanie gazowym, ciekłym lub stałym. Ilość energii w cząsteczkach materii określa stan materii.

• gaz to stan materii, w którym atomy lub cząsteczki mają wystarczająco dużo energii, aby swobodnie się poruszać. Cząsteczki stykają się ze sobą tylko wtedy, gdy zderzają się losowo.
• ciecz jest stanem materii, w którym atomy lub cząsteczki są stale w kontakcie, ale mają wystarczająco dużo energii, aby zmieniać pozycje względem siebie.
• ciało stałe to stan materii, w którym atomy lub cząsteczki nie mają wystarczającej ilości energii do poruszania się. Są one stale w kontakcie i w stałych pozycjach względem siebie.

poniżej przedstawiono zmiany stanu:

• Jeśli do substancji dodaje się ciepło, takie jak topienie, parowanie i sublimacja, Proces jest endotermiczny. W tym przypadku ciepło zwiększa prędkość cząsteczek, powodując ich szybszy ruch (przykłady: ciało stałe do cieczy; ciecz do gazu; ciało stałe do gazu).
• jeśli ciepło jest usuwane z substancji, na przykład podczas zamrażania i kondensacji, proces ten ma charakter egzotermiczny. W tym przypadku ciepło zmniejsza prędkość cząsteczek, powodując ich wolniejszy ruch (przykłady: ciecz do ciała stałego; gaz do cieczy). Zmiany te uwalniają ciepło do otoczenia.
• ilość ciepła potrzebna do zmiany próbki z ciała stałego na ciecz byłaby taka sama, aby odwrócić się od cieczy do ciała stałego. Jedyną różnicą jest kierunek wymiany ciepła.

ćwiczenie \(\PageIndex{1}\)

każdy z poniższych procesów należy oznaczyć jako endotermiczny lub egzotermiczny.

1. kondensacja pary wodnej
2. topienie złota

odpowiedź

A. egzotermiczna

b. endotermiczny

zmiana fazy to proces fizyczny, w którym substancja przechodzi z jednej fazy do drugiej. Zwykle zmiana występuje podczas dodawania lub usuwania ciepła w określonej temperaturze, znanej jako temperatura topnienia lub temperatura wrzenia substancji. Temperatura topnienia to temperatura, w której substancja przechodzi z ciała stałego do cieczy (lub z cieczy do ciała stałego). Temperatura wrzenia to temperatura, w której substancja przechodzi z cieczy do gazu (lub z gazu do cieczy). Charakter zmiany fazy zależy od kierunku wymiany ciepła. Ciepło przechodzące do substancji zmienia ją z ciała stałego w ciecz lub ciecz w gaz. Usunięcie ciepła z substancji zmienia gaz w ciecz lub ciecz w ciało stałe.

warto podkreślić dwa kluczowe punkty. Po pierwsze, w temperaturze topnienia lub wrzenia substancji, dwie fazy mogą istnieć jednocześnie. Weźmy jako przykład wodę (H2O). W skali Celsjusza H2O ma temperaturę topnienia 0 ° C i temperaturę wrzenia 100°C. W 0°C zarówno faza stała, jak i ciekła H2O mogą współistnieć. Jeśli jednak zostanie dodane ciepło, część stałego H2O stopi się i zamieni w ciekły H2O. Jeśli ciepło jest usuwane, dzieje się odwrotnie: część ciekłego H2O zamienia się w stały H2O. podobny proces może zachodzić w temperaturze 100°C: dodanie ciepła zwiększa ilość gazowego H2O, podczas gdy usunięcie ciepła zwiększa ilość ciekłego H2O (rysunek \(\PageIndex{1}\)).

Po drugie, jak pokazano na rysunku \(\PageIndex{1}\), Temperatura substancji nie zmienia się, gdy substancja przechodzi z jednej fazy do drugiej. Innymi słowy, zmiany fazowe są izotermiczne (izoterma oznacza „stałą temperaturę”). Ponownie rozważmy H2O jako przykład. Woda stała (lód) może istnieć w temperaturze 0°C. Jeśli ciepło zostanie dodane do lodu w temperaturze 0°C, część fazy stałej zmienia się w ciecz, która również znajduje się w temperaturze 0°C. Pamiętaj, że fazy stałe i ciekłe H2O mogą współistnieć w temperaturze 0°C. dopiero po tym, jak całe ciało stałe stopi się w ciecz, dodanie ciepła zmienia temperaturę substancji.

dla każdej zmiany fazy substancji, istnieje charakterystyczna ilość ciepła potrzebna do przeprowadzenia zmiany fazy na gram (lub na mol) materiału. Ciepło fuzji (ΔHfus) to ilość ciepła na gram (lub na mol) wymagana do zmiany fazy, która występuje w temperaturze topnienia. Ciepło parowania (ΔHvap) to ilość ciepła na gram (lub na mol) wymagana do zmiany fazy, która występuje w temperaturze wrzenia. Jeśli znasz całkowitą liczbę gramów lub moli materiału, możesz użyć ΔHfus lub ΔHvap do określenia całkowitego ciepła przenoszonego do topienia lub krzepnięcia za pomocą następujących wyrażeń:

\

gdzie \(N\) jest liczbą moli i \(ΔH_{FUS}\) jest wyrażona w energii/mol lub

\

gdzie \(M\) jest masą w gramach i \(ΔH_{FUS}\) wyraża się w energii/gram.

do wrzenia lub kondensacji użyj tych wyrażeń:

\

gdzie \(n\) jest liczbą moli) i \(ΔH_{Vap}\) jest wyrażona w energii/mol lub

\

gdzie \(m\) jest masą w gramach i \(ΔH_{Vap}\) jest wyrażona w energii / gram.

pamiętaj, że zmiana fazy zależy od kierunku wymiany ciepła. Jeśli ciepło przenosi się, ciała stałe stają się cieczami, a ciecze stają się ciałami stałymi odpowiednio w temperaturze topnienia i wrzenia. Jeśli ciepło przenosi się, ciecze zestalają się, a gazy kondensują się w cieczach. W tych punktach nie ma zmian temperatury, co odzwierciedlają powyższe równania.

tabela \(\PageIndex{1}\) zawiera listę temperatur fuzji i odparowania niektórych popularnych substancji. Zwróć uwagę na jednostki na tych ilościach; kiedy używasz tych wartości w rozwiązywaniu problemów, upewnij się, że inne zmienne w obliczeniach są wyrażone w jednostkach zgodnych z jednostkami w konkretnych ogrzewaniach lub ogrzewaniach fuzji i waporyzacji.

10. 3530 Kal / mol