Αλλαγές τύπων κατάστασης και τα χαρακτηριστικά τους (με παραδείγματα)

Το αλλαγές κράτους είναι ένα θερμοδυναμικό φαινόμενο όπου η ύλη υφίσταται αναστρέψιμες φυσικές αλλαγές. Λέγεται ότι είναι θερμοδυναμική επειδή συμβαίνει η μεταφορά θερμότητας μεταξύ της ύλης και του περιβάλλοντος. ή ό, τι είναι το ίδιο, υπάρχουν αλληλεπιδράσεις μεταξύ ύλης και ενέργειας που προκαλούν αναδιάταξη των σωματιδίων.

Τα σωματίδια που βιώνουν την αλλαγή της κατάστασης παραμένουν τα ίδια πριν και μετά. Η πίεση και η θερμοκρασία είναι σημαντικές μεταβλητές στον τρόπο με τον οποίο φιλοξενούνται σε μία ή την άλλη φάση. Όταν συμβαίνει μια αλλαγή κατάστασης, σχηματίζεται ένα σύστημα δύο φάσεων που αποτελείται από το ίδιο υλικό σε δύο διαφορετικές φυσικές καταστάσεις.

Η επάνω εικόνα δείχνει τις κύριες αλλαγές της κατάστασης που βιώνουν το υλικό υπό κανονικές συνθήκες.

Ένας στερεός κύβος μιας μπλε ουσίας μπορεί να γίνει υγρός ή αέριος ανάλογα με τη θερμοκρασία και την πίεση του περιβάλλοντός του. Από μόνο του αντιπροσωπεύει μόνο μία φάση: το στερεό. Όμως, τη στιγμή της τήξης, δηλαδή της τήξης, δημιουργείται μία ισορροπία στερεού-υγρού που ονομάζεται σύντηξη (κόκκινο βέλος ανάμεσα στον κύβο και την γαλαζωπή πτώση).

Για να συμβεί σύντηξη, ο κύβος χρειάζεται να απορροφήσει θερμότητα από το περιβάλλον του για να αυξήσει τη θερμοκρασία του. Ως εκ τούτου, είναι μια ενδοθερμική διαδικασία. Μόλις ο κύβος λειώσει τελείως, υπάρχει και πάλι μόνο μία φάση: αυτή της υγρής κατάστασης.

Αυτή η γαλαζοπράσινη σταγόνα μπορεί να συνεχίσει να απορροφά τη θερμότητα, η οποία αυξάνει τη θερμοκρασία της και οδηγεί στον σχηματισμό αερίων φυσαλίδων. Και πάλι, υπάρχουν δύο φάσεις: ένα υγρό και το άλλο αέριο. Όταν όλο το υγρό έχει εξατμιστεί μέσα από το σημείο βρασμού του, τότε λέγεται ότι έχει βράσει ή εξατμιστεί.

Τώρα, οι γαλαζοπράσινες σταγόνες μεταμορφώθηκαν σε σύννεφα. Μέχρι στιγμής, όλες οι διαδικασίες ήταν ενδοθερμικές. Το γαλαζοπράσινο αέριο μπορεί να συνεχίσει να απορροφά θερμότητα μέχρι να θερμανθεί. Ωστόσο, δεδομένων των χερσαίων συνθηκών, αυτό αντιθέτως τείνει να κρυώσει και να συμπυκνωθεί και πάλι στο υγρό (συμπύκνωση).

Από την άλλη πλευρά, τα σύννεφα μπορούν επίσης να εναποτεθούν απευθείας σε μια στερεή φάση, σχηματίζοντας και πάλι τον στερεό κύβο (εναπόθεση). Αυτές οι δύο τελευταίες διεργασίες είναι εξωθερμικές (μπλε βέλη). δηλαδή, απελευθερώνουν θερμότητα στο περιβάλλον ή στο περιβάλλον.

Εκτός από τη συμπύκνωση και την εναπόθεση, παρατηρείται αλλαγή κατάστασης όταν η μπλε πτώση παγώνει σε χαμηλές θερμοκρασίες (στερεοποίηση).

Ευρετήριο

• 1 Τύποι αλλαγών κατάστασης και τα χαρακτηριστικά τους
  • 1.1 Σύντηξη
  • 1.2 Εξάτμιση
  • 1.3 Συμπύκνωση
  • 1.4 Στερεοποίηση
  • 1.5 Εξάχνωση
  • 1.6 Απόθεση
• 2 Άλλες αλλαγές κατάστασης
• 3 Αναφορές

Τύποι αλλαγών κατάστασης και τα χαρακτηριστικά τους

Η εικόνα παρουσιάζει τις τυπικές αλλαγές για τις τρεις (πιο συνήθεις) καταστάσεις της ύλης: στερεά, υγρά και αέρια. Οι αλλαγές που συνοδεύονται από τα κόκκινα βέλη είναι ενδοθερμικές, περιλαμβάνουν την απορρόφηση της θερμότητας. ενώ αυτά που συνοδεύονται από τα μπλε βέλη είναι εξωθερμικά, απελευθερώνουν θερμότητα.

Παρακάτω υπάρχει μια σύντομη περιγραφή καθεμιάς από αυτές τις αλλαγές, επισημαίνοντας μερικά από τα χαρακτηριστικά της από μια μοριακή και θερμοδυναμική συλλογιστική.

Σύντηξη

Στην στερεά κατάσταση τα σωματίδια (ιόντα, μόρια, συστάδες κλπ.) Είναι "φυλακισμένοι", που βρίσκονται σε σταθερές θέσεις του χώρου χωρίς να μπορούν να κινούνται ελεύθερα. Ωστόσο, είναι σε θέση να δονήσουν σε διαφορετικές συχνότητες, και αν είναι πολύ ισχυρές, η αυστηρή τάξη που επιβάλλουν οι διαμοριακές δυνάμεις θα αρχίσει να «καταρρέει»..

Ως αποτέλεσμα, λαμβάνονται δύο φάσεις: μία όπου τα σωματίδια παραμένουν περιορισμένα (στερεά) και άλλα όπου είναι πιο ελεύθερα (υγρά), αρκετά ώστε να αυξάνουν τις αποστάσεις που τους χωρίζουν το ένα από το άλλο. Για να επιτευχθεί αυτό, το στερεό πρέπει να απορροφήσει θερμότητα και έτσι τα σωματίδια του θα δονηθούν με μεγαλύτερη δύναμη.

Για το λόγο αυτό η σύντηξη είναι ενδοθερμική και όταν ξεκινά λέγεται ότι υπάρχει μια ισορροπία μεταξύ των φάσεων στερεού-υγρού.

Η θερμότητα που απαιτείται για να προκαλέσει αυτή την αλλαγή ονομάζεται θερμότητα ή τήξη ενθαλπίας σύντηξης (ΔΗ_Fus). Αυτό εκφράζει την ποσότητα θερμότητας (ενέργεια, σε μονάδες kJ κυρίως) που πρέπει να απορροφήσει ένα γραμμάριο ουσίας σε στερεή κατάσταση για να λιώσει και όχι απλά να αυξήσει τη θερμοκρασία.

Χιονόμπαλα

Με αυτό κατά νου, καταλαβαίνετε γιατί λιώνει μια χιονοστιβάδα στο χέρι σας (κορυφή εικόνα). Αυτό απορροφά τη θερμότητα του σώματος, η οποία είναι αρκετή για να αυξήσει τη θερμοκρασία του χιονιού πάνω από 0 ° C.

Οι παγωμένοι κρύσταλλοι που υπάρχουν στο χιόνι απορροφούν τη θερμότητα μόνο για να λιώσουν και για τα μόρια νερού τους να υιοθετήσουν μια πιο διαταραγμένη δομή. Ενώ το χιόνι λιώνει, το νερό που σχηματίζεται δεν θα αυξήσει τη θερμοκρασία του, αφού όλη η θερμότητα του χεριού χρησιμοποιείται από το χιόνι για να ολοκληρωθεί η σύντηξη.

Εξάτμιση

Συνεχίζοντας με το παράδειγμα του νερού, τοποθετώντας τώρα μια χούφτα χιονιού σε ένα δοχείο και φωτίζοντας τη φωτιά, παρατηρείται ότι το χιόνι λιώνει γρήγορα. Καθώς το νερό θερμαίνεται, αρχίζουν να σχηματίζονται μικρές φυσαλίδες διοξειδίου του άνθρακα και άλλες πιθανές αέρια ακαθαρσίες..

Η θερμότητα διαστέλλει τις διαταραγμένες διαμορφώσεις του νερού μοριακά, αυξάνοντας τον όγκο και αυξάνοντας την τάση ατμών. Επομένως, υπάρχουν αρκετά μόρια που διαφεύγουν από το επιφανειακό προϊόν της αύξησης της εξάτμισης.

Το υγρό νερό αυξάνει αργά τη θερμοκρασία του λόγω της υψηλής θερμικής του ικανότητας (4.184J / ° C ∙ g). Έρχεται ένα σημείο όπου η απορροφούμενη θερμότητα δεν χρησιμοποιεί πλέον για να αυξήσει τη θερμοκρασία της, αλλά για να ξεκινήσει η ισορροπία υγρού-ατμού. δηλαδή, αρχίζει να βράζει και όλο το υγρό θα εισέλθει στην αέρια κατάσταση ενώ απορροφά θερμότητα και διατηρεί τη θερμοκρασία σταθερή.

Εκεί παρατηρείται η έντονη διοχέτευση στην επιφάνεια του βρασμένου νερού (κορυφή εικόνας). Η θερμότητα που απορροφάται από το υγρό νερό έτσι ώστε η τάση ατμών των αρχικών φυσαλίδων της να ισούται με την εξωτερική πίεση, ονομάζεται ενθαλπία εξάτμισης (ΔΗ_Vap).

Ο ρόλος της πίεσης

Η πίεση είναι επίσης καθοριστική στις αλλαγές της κατάστασης. Ποια είναι η επίδρασή της στην εξάτμιση; Ότι σε υψηλότερη πίεση, τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμότητα που πρέπει να απορροφήσει το νερό για να βράσει και επομένως εξατμίζεται πάνω από 100 ° C.

Αυτό συμβαίνει επειδή η αύξηση της πίεσης εμποδίζει τη διαφυγή των μορίων ύδατος από το υγρό στη φάση αερίου.

Οι λέβητες πίεσης χρησιμοποιούν αυτό το γεγονός υπέρ τους για να θερμάνουν τα τρόφιμα σε νερό σε θερμοκρασία πάνω από το σημείο βρασμού τους.

Από την άλλη πλευρά, καθώς υπάρχει κενό ή μείωση της πίεσης, το υγρό νερό χρειάζεται χαμηλότερη θερμοκρασία για να βράσει και να κινηθεί στη φάση του αερίου. Με μεγάλη ή μικρή πίεση, κατά τη στιγμή του βρασμού το νερό χρειάζεται να απορροφήσει την αντίστοιχη θερμότητα εξάτμισής του για να ολοκληρώσει την αλλαγή της κατάστασής του.

Συμπύκνωση

Το νερό έχει εξατμιστεί. Τι άλλο; Ο υδρατμός μπορεί ακόμα να αυξήσει τη θερμοκρασία του, καθιστώντας επικίνδυνο ρεύμα ικανό να προκαλέσει σοβαρά εγκαύματα.

Ωστόσο, ας υποθέσουμε ότι ψύχεται αντ 'αυτού. Πώς; Η απελευθέρωση θερμότητας στο περιβάλλον και η απελευθέρωση θερμότητας λέγεται ότι συμβαίνει μια εξώθερμη διαδικασία.

Κατά την απελευθέρωση θερμότητας, τα πολύ ενεργά αέρια μόρια νερού αρχίζουν να επιβραδύνουν. Επίσης, οι αλληλεπιδράσεις τους αρχίζουν να είναι πιο αποτελεσματικές καθώς πέφτει η θερμοκρασία του ατμού. Θα σχηματιστούν πρώτα σταγονίδια νερού, συμπυκνωμένα από τον ατμό, ακολουθούμενα από μεγαλύτερα σταγονίδια που καταλήγουν να έλκονται από τη βαρύτητα.

Για να κατακλύσετε εντελώς μια ποσότητα ατμού, πρέπει να απελευθερώσετε την ίδια ενέργεια, αλλά με το αντίθετο σημάδι, στο ΔΗ_Vap? δηλαδή, την ενθαλπία της συμπύκνωσης ΔΗ_Cond. Έτσι, η αντίστροφη ισορροπία, ατμός-υγρό είναι σταθερή.

Γυαλισμένα παράθυρα

Η συμπύκνωση μπορεί να παρατηρηθεί στα παράθυρα των σπιτιών. Σε ένα κρύο κλίμα, οι υδρατμοί μέσα στο σπίτι συγκρούονται με το παράθυρο, το οποίο λόγω του υλικού του έχει χαμηλότερη θερμοκρασία από άλλες επιφάνειες.

Εκεί, είναι ευκολότερο να συγκεντρωθούν τα μόρια ατμού, δημιουργώντας ένα λεπτό λευκό υπόστρωμα εύκολα αφαιρούμενο με το χέρι. Καθώς τα μόρια αυτά απελευθερώνουν θερμότητα (θέρμανση του γυαλιού και του αέρα), αρχίζουν να σχηματίζουν πιο πολυάριθμες συστάδες έως ότου μπορούν να συμπυκνώσουν τις πρώτες σταγόνες (κορυφή εικόνας).

Όταν οι σταγόνες αυξάνουν πολύ το μέγεθος τους, γλιστρούν μέσα από το παράθυρο και αφήνουν ένα νερό.

Στερεοποίηση

Από υγρό νερό, ποια άλλη φυσική αλλαγή μπορεί να υποφέρετε; Η στερεοποίηση λόγω ψύξης. με άλλα λόγια, παγώνει. Για να παγώσει, το νερό πρέπει να απελευθερώσει την ίδια ποσότητα θερμότητας που απορροφά ο πάγος για να λιώσει. Και πάλι, αυτή η θερμότητα ονομάζεται ενθαλπία στερεοποίησης ή κατάψυξης, ΔΗ_Cong (-ΔΗ_Fus).

Όταν ψύχονται, τα μόρια του νερού χάνουν ενέργεια και οι διαμοριακές αλληλεπιδράσεις τους γίνονται ισχυρότερες και κατευθυνόμενες. Ως αποτέλεσμα, διατίθενται από τους δεσμούς υδρογόνου τους και σχηματίζουν τους επονομαζόμενους κρυστάλλους πάγου. Ο μηχανισμός αύξησης των κρυστάλλων πάγου επηρεάζει την εμφάνισή τους: διαφανής ή λευκός.

Εάν οι πάγοι κρύσταλλοι αναπτύσσονται πολύ αργά, δεν αποκλείουν ακαθαρσίες, όπως είναι τα αέρια που σε χαμηλές θερμοκρασίες διαλυτοποιούνται στο νερό. Έτσι, φυσαλίδες διαφεύγουν και δεν μπορούν να αλληλεπιδράσουν με το φως. και κατά συνέπεια, υπάρχει ένας πάγος τόσο διαφανής όσο αυτός ενός εξαιρετικού παλατιού αγάλματος (κορυφή εικόνας).

Το ίδιο συμβαίνει και με τον πάγο, μπορεί να συμβεί με οποιαδήποτε άλλη ουσία που στερεοποιείται με ψύξη. Ίσως αυτή να είναι η πιο πολύπλοκη φυσική αλλαγή στις επίγειες συνθήκες, καθώς μπορούν να ληφθούν αρκετά πολυμορφικά.

Εξάχνωση

Μπορεί το νερό να εξευγενιστεί; Όχι, τουλάχιστον όχι κάτω από κανονικές συνθήκες (T = 25 ° C, P = 1 atm). Για να γίνει η εξάχνωση, δηλαδή η αλλαγή της κατάστασης από στερεό σε αέριο, η τάση ατμών του στερεού πρέπει να είναι υψηλή.

Είναι επίσης απαραίτητο οι διεγχειρητικές δυνάμεις τους να μην είναι πολύ ισχυρές, κατά προτίμηση εάν αποτελούνται μόνο από δυνάμεις διασποράς

Το πιο εμβληματικό παράδειγμα είναι το στερεό ιώδιο. Είναι ένα κρυσταλλικό στερεό από γκριζωπό-μοβ τόνους, το οποίο έχει υψηλή τάση ατμών. Αυτό συμβαίνει, ότι στην πράξη του απελευθερώνεται ένας πορφυρός ατμός, του οποίου ο όγκος και η επέκταση γίνονται αισθητά όταν υποβάλλονται σε θέρμανση.

Η επάνω εικόνα δείχνει ένα τυπικό πείραμα όπου το στερεό ιώδιο εξατμίζεται σε γυάλινο περιέκτη. Είναι ενδιαφέρον και εντυπωσιακό να παρατηρήσουμε πώς οι μοβ ατμοί διαχέονται και ο αρχαίος μαθητής μπορεί να επαληθεύσει την απουσία υγρού ιωδίου.

Αυτό είναι το κύριο χαρακτηριστικό της εξάχνωσης: δεν υπάρχει παρουσία υγρής φάσης. Είναι επίσης ενδόθερμη, καθώς το στερεό απορροφά θερμότητα για να αυξήσει την τάση ατμών του ώστε να ταιριάζει με την εξωτερική πίεση.

Απόθεση

Παράλληλα με το πείραμα της εξάχνωσης του ιωδίου, έχουμε την εναπόθεση του. Η απόθεση είναι η αντίθετη αλλαγή ή μετάβαση: η ουσία περνά από την αέρια κατάσταση στο στερεό χωρίς τον σχηματισμό μίας υγρής φάσης.

Όταν οι πορφυροί ατμοί ιωδίου έρχονται σε επαφή με μια ψυχρή επιφάνεια, απελευθερώνουν θερμότητα για να ζεσταίνουν, χάνουν ενέργεια και ανασυνθέτουν τα μόρια τους πίσω στο γκρι-μωβ στερεό (κορυφή εικόνα). Είναι τότε μια εξωθερμική διαδικασία.

Η εναπόθεση χρησιμοποιείται ευρέως για τη σύνθεση των υλικών, όπου προσβάλλονται με άτομα μετάλλων με εξελιγμένες τεχνικές. Εάν η επιφάνεια είναι πολύ κρύα, η ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ αυτής και των σωματιδίων ατμού είναι απότομη, παραλείποντας τη διέλευση διαμέσου της αντίστοιχης υγρής φάσης.

Η θερμότητα ή η ενθαλπία της εναπόθεσης (και όχι κατάθεση) είναι το αντίστροφο της εξάχνωσης (ΔΗ_Sub= - ΔH_Dep). Θεωρητικά, πολλές ουσίες μπορούν να εξαγνιστούν, αλλά για να επιτευχθεί αυτό είναι απαραίτητο να χειριστείτε τις πιέσεις και τις θερμοκρασίες, εκτός από το ότι πρέπει να έχετε το διάγραμμα P vs T στο χέρι. στην οποία μπορούν να απεικονιστούν οι μακρινές πιθανές φάσεις.

Άλλες αλλαγές κατάστασης

Αν και δεν υπάρχει καμία αναφορά σε αυτά, υπάρχουν και άλλες καταστάσεις της ύλης. Μερικές φορές χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη "λίγο από το καθένα" και συνεπώς είναι ένας συνδυασμός αυτών. Για την παραγωγή τους, οι πιέσεις και οι θερμοκρασίες πρέπει να χειρίζονται με πολύ θετικά (μεγάλα) ή αρνητικά (μικρά) μεγέθη.

Έτσι, για παράδειγμα, αν τα αέρια θερμαίνονται υπερβολικά, θα χάσουν τα ηλεκτρόνια τους και οι θετικά φορτισμένοι πυρήνες τους σε αυτή την αρνητική παλίρροια θα αποτελέσουν αυτό που είναι γνωστό ως πλάσμα. Είναι συνώνυμο με το "ηλεκτρικό αέριο", καθώς έχει υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Από την άλλη πλευρά, μειώνοντας πάρα πολύ τις θερμοκρασίες, η ύλη μπορεί να συμπεριφερθεί απροσδόκητα. δηλαδή, παρουσιάζουν μοναδικές ιδιότητες γύρω από το απόλυτο μηδέν (0 K).

Μία από αυτές τις ιδιότητες είναι η υπερρευστότητα και η υπεραγωγιμότητα. καθώς και ο σχηματισμός των συμπυκνωμάτων Bose-Einstein, όπου όλα τα άτομα συμπεριφέρονται ως ένα.

Ακόμα και μερικές έρευνες δείχνουν σε φωτονική ύλη. Σε αυτά τα σωματίδια ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, τα φωτόνια, ομαδοποιούνται για να σχηματίσουν φωτονικά μόρια. Δηλαδή, θα έδινε μάζα σε σώμα φωτός, θεωρητικά.

Αναφορές

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19 Νοεμβρίου 2018). Κατάλογος αλλαγών φάσης μεταξύ των κρατών της ύλης. Ανακτήθηκε από: thoughtco.com
2. Wikipedia. (2019). Κατάσταση της ύλης Ανακτήθηκε από: en.wikipedia.org
3. Ντόρλινγκ Κίντσεσλι. (2007). Αλλαγή καταστάσεων. Ανακτήθηκε από: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Αλλαγή φάσης: Εξάτμιση, συμπύκνωση, κατάψυξη, τήξη, εξάχνωση και απόθεση. Μελέτη. Ανακτήθηκε από: study.com
5. Bagley Μ. (11 Απριλίου 2016). Θέμα: Ορισμός και οι πέντε καταστάσεις της ύλης. Ανακτήθηκε από: lifecience.com
6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Χημεία (8η έκδοση). CENGAGE Μάθηση.