HŐTAN 9. KÉSZÍTETTE: SZOMBATI EDIT HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK 1. halmazállapotok A természetben minden anyagnak három halmazállapota fordul elő: szilárd, folyékony, légnemű. SZILÁRD HALMAZÁLLAPOT Határozott alakkal és határozott térfogattal rendelkezik. Az atomok rácsszerkezetbe rendeződnek, négyféle rácsszerkezetet különböztetünk meg: atomrács, ionrács, fémrács és molekularács. Az atomok a rácsszerkezetben helyhezkötöttek, rezgőmozgást végeznek, a hőmérséklet növekedésével a rezgés amplitudója nő. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK 1. halmazállapotok FOLYÉKONY HALMAZÁLLAPOT Nincs határozott alakja, felveszi az edény alakját, de határozott térfogattal rendelkezik. A folyadék részecskéit másodrendű kötések tartják össze. Ezt az összetartó erőt kohéziós erőnek nevezzük (diszperziós, dipólusos és hidrogénhíd). A folyadék részecskéi egymáson könnyen gördülő golyókkal modellezhető. Ez a modell jól magyarázza, hogy miért veszik fel az edény alakját. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK 1. halmazállapotok LÉGNEMŰ HALMAZÁLLAPOT Nincs sem határozott alakja, sem határozott térfogata. Kitöltik a rendelkezésre álló teret. A részecskék között nincs semmilyen összetartó erő, egymástól függetlenül, szabadon mozognak. A részecskék mozgásuk közben folyamatosan és tökéletesn rugalmasan ütköznek egymással és az edény falával. Az edény falának való ütközéssel arra nyomást gyakorolnak. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

2. Halmazállapot változások

2. Halmazállapot változások OLVADÁS Szilárd halmazállapotú anyag folyékonnyá válik. Energia befektetést igényel. A befektetett energia/hőmennyiség: Q = Lom, ahol Lo az olvadáshő, anyagra jellemző állandó, m az anyag tömege. Egy adott hőmérsékleti ponton, az olvadásponton megy végbe. Olvadás közben az anyag hőmérséklete nem változik. Az olvadáspont nyomásfüggő: magasabb nyomáson az olvadáspont alacsonyabb. Erre két példa: Kísérlet: Jégtömbön (melynek hőmérséklete 0oC alatt van) átvetett drót két végére súlyokat helyezünk, így a drót alatt nagy nyomás alakul ki. A drót alatt a víz megolvad, a drót felett újra megfagy. Így a drót úgy megy át a jégtömbön, hogy az egyben marad. Jégkorcsolya: A jégkorcsolya éle vékony, így alatta a nyomás nagy. A nagy nyomás hatására a korcsolya alatt a víz megolvad. A korcsolyázó azért siklik olyan könnyen, mert valójában vízmolekulákon gördül. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

2. Halmazállapot változások OLVADÁS Az olvadás magyarázata a részecskék szintjén: A részecskék rezgőmoz-gásának amplitudója olyan nagy lesz, hogy a rácsszerkezet összeomlik. FAGYÁS Az olvadással ellentétes irányú folyamat. Folyékony halmazállapotú anyagból szilárd halmazállapotú anyag keletkezik. Egy adott hőmérsékleti ponton, a fagyásponton megy végbe. A fagyáspont megegyezik az olvadásponttal. Energia felszabadulással jár. Adott tömegű, adott anyag olvadása közben pontosan annyi energia szabadul fel, mint amennyi energia az olvadáshoz szükséges. Olvadás közben a környezet energiája, hőmérséklete tehát növekszik. A fagyás folyamata a részecskék szintjén: A folyadékban, például vízben jégcsírák keletkeznek, amely csírák köré ráfagy a többi részecske. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

2. Halmazállapot változások TÚLHŰTÉS FOLYAMATA Elég nagy tisztaságú anyag, kellő óvatossággal, jóval a fagyáspontja alá hűthető anélkül, hogy megfagyna. Ekkor egy idegen anyag beledobásával, illetve rázással a túlhűtött anyag azonnal megfagy. Kísérlet: hosszabb ideig forrással „tisztított”, majd lehűtött vizet óvatosan tegyünk be a fagyasztóba. A folyadékot 0ºC alá hűtjük, majd kivesszük a fagyasztóból és megrázzuk. A folyadék azonnal megfagy. Magyarázat: a tiszta, mozdulatlan folyadék nem kedvez a jégcsírák kialakulásának, ezért hűthető fagyáspont alá a víz; rázással a részecskék egymáshoz nyomódnak, ami kedvez a jégcsírák kialakulásának, és a túlhűtött folyadék gyorsan megfagy. VIDEÓ Példák a természetből: (1) Ónos eső: túlhűtött folyadék a földnek csapodva arra azonnal ráfagy. (2) Repülőgépek által húzott „kondenzcsík”: a túlhűtött folyadékrészecskék a repülőgépből kiáramló szennyező anyagokra ráfagy. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

2. Halmazállapot változások PÁROLGÁS - Párolgás során folyékony halmazállapotú anyagból légnemű halmazálla-potú anyag lesz. A folyadék minden hőmérsékleten párolog. A párolgás sebessége függ: a külső hőmérséklettől, a környezet páratartalmától, a légáramlattól, a párolgó felület nagyságától. A párolgás jelenségének magyarázata a részecskék szintjén: egyes folyadékrészecskék mozgásuk közben, a többi folyadékrészecskével ütközve olyan nagy mozgási energiára tud szert tenni, hogy képes a többi folyadékrészecske vonzó hatását legyőzve kiszakadni a folyadékból. A párolgással párhuzamosan, egy azzal ellentétes irányú folyamat is lejátszódik, ez a „kicsapósás”, amelynek során a részecskék „visszalép-nek” a folyadékba. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

2. Halmazállapot változások FORRÁS - Forrás során folyékony halmazállapotú anyagból légnemű halmazállapotú anyag lesz. A forrás energia befektetéssel járó folyamat. A forráshoz szükséges energia az alábbi képlettel számolható: Q = Lfm, ahol Lf a forráshő, anyagra jellemző állandó, m az anyag tömege. A forrás egy adott hőmérsékleti ponton, a forrásponton megy végbe. Amíg a teljes mennyiségű anyag nem forr el, addig a hőmérséklet nem változik. A forráspont az anyagi minőségre jellemző érték. A forráspont nyomásfüggő: magas nyomáson a forráspont is magasabb, alacsony nyomáson a forráspont alacsonyabb. Példák a forráspont nyomásfüggésére: (1) A magas hegyekben az alacsony légnyomás miatt akár már 95ºC-on forr a víz. (2) Üvegbúra alá helyezünk egy pohár szobahőmérsékletű vizett. A búra alól a levegőt kiszivattyúzva búra alatti nyomást folyamatosan csökkentjük. Egy adott nyomáson a víz szoba hőmérsékleten forrni kezd. VIDEO HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

2. Halmazállapot változások FORRÁS A forrás jelenségének magyarázata a részecskék szintjén: folyadék nem csak a felszínén, hanem a folyadék belsejében is párolog, ennek során a folyadékban üregek(buborékok) keletkeznek. Az üregekben vízgőz van, és ennek a vízgőznek nyomása van. Melegítés során ez a nyomás növekszik. Ha az üregekben lévő vízgőz nyomása eléri a külső nyomást akkor beindul a forrás folyamata. Értelem szerűen ha a külső nyomás alacsony, akkor a forrás egy alacsonyabb hőmérsékleten, víz esetében akár szobahőmérsékleten is beindulhat. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

2. Halmazállapot változások LECSAPÓÁS A forrással ellentétes irányú folyamat: légnemű halmazállapotú anyagból folyékony halmazállapotú anyag keletkezik. Energia felszabadulással járó folyamat. A lecsapódás során pontosan annyi energia szabadul fel, mint amennyi energia szükséges ugyanolyan anyagi minőségű és ugyanannyi tömegű anyag elforralásához. Egy adott hőmérsékleti ponton a forrásponton megy végbe. Az anyag hőmérséklete a lecsapódás során nem változik. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

2. Halmazállapot változások SZUBLIMÁCIÓ Szilárd halmazállapotú anyag közvetlenül légnemű halmazállapotú anyaggá alakul át. Például jégből vízgőz lesz (koncertek). Bármilyen hőmérsékleten végbemegy: ezért érezzük az anyagok illatát. Energia befektetést igényel. Nyomásfüggő: alacsonyabb nyomáson a folyamat intenzívebb, magas nyomáson kevésbé. Megfigyelhető a folyamat ellentétes iránya is: deszublimáció, vagy kristályosodás: a légnemű halmazállapotú anyag közvetlenül szilárd halmazállapotú anyaggá alakul át. Gyakorlati példa: instant kávé előállítása: hagyják száradni a kávét, így magától elpárolog a benne lévő nedvesség, majd a koncentrátumot -40°C-ra hűtik. Alacsony nyomást hoznak létre, így könnyebben létrejön a szublimáció, ekkor a jég elpárolog, a zamatanyagok nem károsodnak, száraz kávépor marad vissza. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

3. Melegedési/lehűlési görbe HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK