Rebelova škola doma

Poznáme 4 skupenstvá: pevné, kvapalné, plynné a plazma. O plazme sa na základnej škole neučí, takže sa budeme venovať len trom základným skupenstvám. Vlastnosti látok v daných skupenstvách som rozoberal v príspevku Základy fyziky. V tomto príspevku sa budeme zaoberať premenami skupenstiev. Schéma na obrázku vpravo ukazuje, ako sa premeny skupenstiev nazývajú. Keďže sa na základných školách neučí o plazme, nebudem v tomto príspevku rozoberať ionizáciu ani deionizáciu.

Vyparovanie

Vyparovanie je premena kvapaliny na plyn. Vyparovanie prebieha za každých podmienok (akákoľvek teplota, tlak atď.).

Rýchlosť vyparovania závisí od teploty, veľkosti povrchu kvapaliny a odstraňovania pár nad povrchom kvapaliny. Tieto závislosti využívame v aj bežnom živote, napríklad vypraté oblečenie nenechávame na kope ale rozkladáme ho na sušiak (aby mal čo najväčší povrch) alebo umyté vlasy ,,fénujeme" (čiže prefukovaním vzduchu odstraňujeme pary a keďže je horúci, aj zvyšujeme teplotu). Rôzne kvapaliny sa vyparujú rôznou rýchlosťou (napríklad benzín sa vyparuje rýchlejšie ako voda).

Kvapalina sa môže vyparovať buď len zo svojho povrchu, alebo v celom objeme. Vyparovanie v celom objeme sa nazýva var.

Var

Var je intenzívne vyparovanie vody. Pri vare sa kvapalina vyparuje v celom svojom objeme. To neznamená, že po dosiahnutí teploty varu sa celá kvapalina okamžite vyparí. To znamená, že sa nevyparuje len z povrchu, ale na rôznych (náhodných) miestach nádoby. Navonok sa to prejaví tvorbou bubliniek (,,bublaním"). Počas varu sa teplota sústavy nemení. Je to z toho dôvodu, že všetko dodané teplo sa spotrebúva na proces odparovania, ktorý potrebuje energiu. Na grafe závislosti teploty od dodaného tepla sa to prejaví zlomom. Čiže keď kvapaline dodávame teplo, jej teplota spočiatku stúpa. Keď dosiahneme teplotu varu, systém ostáva pri tejto teplote, aj keď dodávame ďalšie teplo. Až keď sa všetka kvapalina premení na paru, začne pri ďalšom dodávaní tepla teplota systému (ktorý je teraz tvorený už len čistou parou) znovu stúpať.

Teplota varu závisí od atmosférického tlaku. Pri zvýšenom tlaku sa zvýši aj teplota varu, ale pozor, táto závislosť nie je rovnomerná (čiže neplatí že koľkokrát sa zvýši tlak, toľkokrát aj teplota varu). Čo je to atmosférický tlak? Okolo našej Zeme je plynný obal, ktorý sa nazýva atmosféra. Plynný obal Zeme siaha do výšky niekoľko sto kilometrov nad jej povrch. Na čiastočky plynného obalu pôsobí Zem príťažlivou silou. Horné vrstvy atmosféry Zeme tlačia na spodné vrstvy atmosféry. Toto pôsobenie sa prejavuje tým, že vo vzduchu vzniká tlak. Silové pôsobenie horných vrstiev atmosféry nazývame tlaková sila. Veľkosť tlakovej sily a veľkosť tlaku vzduchu spolu súvisia.

Teplota varu vody je pri normálnom atmosférickom tlaku 100°C.

Počas varu sa aj pri ďalšom dodávaní tepla nemení, až dokiaľ sa všetka kvapalina nepremení na plyn. Plyn už môžeme zohriať aj na vyššiu teplotu.

Ak chceme variť rýchlejšie, logicky potrebujeme vyššiu teplotu. Ale ako to docieliť, keď kvapalná voda pri normálnom tlaku vrie už pri 100°C a teda sa navyššiu teplotu zohriať nedokáže? Ak však zvýšime tlak, zvýši sa aj teplota varu vody. Na tom princípe funguje tlakový hrniec (Papinov hrniec). Hrniec je natesno uzavretý pokrievkou a para teda nedokáže uniknúť. Hromadí sa nad vodou a tým nad ňou zvyšuje tlak. Voda teda ostáva kvapalinou aj pri vyššej teplote.

Kondenzácia

Kondenzácia (inými slovami skvapalňovanie alebo zrážanie) je premena plynu na kvapalinu. Na rozdiel od vyparovania neprebieha za každých podmienok ale iba ak je priestor presýtený parami a súčasne dôjde k ich schladeniu. Teplota, pri ktorej para skondenzuje, sa nazýva rosný bod. Rosný bod závisí od tlaku a stupňa nasýtenia priestoru parou.

Topenie a tuhnutie

Topenie je premena pevnej látky na kvapalinu. Tuhnutie je proces presne opačný, čiže premena kvapaliny na pevnú látku. Teplota, pri ktorej sa látka topí, sa nazýva teplota topenia a teplota, pri ktorej látka tuhne, sa nazýva teplota tuhnutia. Pre väčšinu látok (teoreticky pre všetky) má teplota topenia rovnakú hodnotu ako teplota tuhnutia. Teplota topenia ľadu (a tuhnutia kvapalnej vody) je pri normálnom tlaku 0°C.

Niektoré látky sa topia pri nižších teplotách (ľad, maslo), ale iné (železo, meď) pri veľmi vysokých. Látky s vysokou teplotou topenia topíme v špeciálnych zariadeniach - vysokých peciach a hovoríme tomu tavenie.

Látky sa topia dvomi odlišnými spôsobmi, ktoré závisia od ich  štruktúry. Tuhé látky sa podľa svojej štruktúry delia na kryštalické a amorfné (beztvaré).  Kryštalické látky (ľad, soli, diamant, grafit, kovy...) majú pravidelnú vnútornú štruktúru, čiže vieme nakresliť tzv. kryštálovú mriežku, čiže schému, podľa ktorej sú častice (molekuly, ióny, atómy) v látke usporiadané. Môžu mať pravidelný tvar aj navonok (vieme  si predstaviť napríklad, ako vyzerajú kryštáliky soli). Kryštalické látky majú presne určenú teplotu topenia a topia sa tak, že pri jej dosiahnutí začne ubúdať tuhá látka a pribúdať kvapalina (vieme, ako s topí ľad).

Amorfné (beztvaré) látky (čokoláda, parafín, sklo...) nemajú pravidelnú vnútornú štruktúru a správajú sa ako kvapaliny s veľmi veľkou viskozitou. Nevieme presne určiť ich teplotu topenia, len akýsi jej interval (napríklad teplota topenia parafínu je 34°C-56°C). Topia sa úplne odlišným spôsobom. Ak zohrievame kúsok skla, postupne mäkne, ľahko sa ohýba a naťahuje, potom vzniká masa, ktorá sa ťahá ako med, neskôr sa podobá smotane a nakoniec sa zmení na kvapalinu podobnú vode. 

Kovy síce tiež pri zahrievaní postupne mäknú a ich pravidelný tvar navonok nevidíme, ale i napriek tomu sú kryštalické, lebo pravidelnú vnútornú štruktúru majú a takisto majú aj presne určenú svoju teplotu topenia.

Závislosť teploty od dodaného tepla pri topení kryštalických látok je analogické s varom. Čiže na grafe sa prejaví zlomom, pred dosiahnutím teploty topenia teplota stúpa, potom je konštantná a po úplnom roztopení znovu stúpa. Iná situácia nastane pri topení amorfných látok. Tam teplota pri dodávaní tepla stále stúpa, na grafe nie je žiaden zlom. Prečo to tak je? Odpoveď je, že z istého pohľadu žiadna skupenská premena nenastane, lebo amorfná látka, aj keď sa nám javí ako pevná, je z istého pohľadu len kvapalina s veľmi veľkou viskozitou (viskozita je to, čomu v bežnej reči hovoríme hustota - že kvapalina sa ,,nerozprskáva" a tečie pomaly). Ak vás zaujíma táto téma, pozrite si článok o jednom z najdlhšie trvajúcich vedeckých experimentov na svete: https://www.interez.sk/toto-je-jeden-z-najdlhsie-trvajucich-experimentov-na-svete-zacal-este-v-roku-1927-trva-dodnes-a-je-online/. Tuhnutie prebieha analogicky, len opačne. Čiže pri kvapalinách, ktoré sú v tuhom skupenstve kryštalické, teplota pri odoberaní tepla najprv klesá, po dosiahnutí teploty tuhnutia je konštantná a po úplnom stuhnutí (kryštalizácii) znovu klesá. Pri amorfných látkach stále klesá.

Väčšina látok sa pri zvýšenej teplote ,,rozťahuje" (čiže zväčšuje svoj objem) a pri zníženej teplote ,,sťahuje" (čiže zmenšuje svoj objem) a teda v kvapalnom skupenstve budú mať väčší objem ako v tuhom. Je to preto, že častice látky sa pri zvýšenej teplote od seba odďaľujú a pri zníženej sa k sebe približujú. 

Voda však pri stuhnutí svoj objem, naopak, zväčší a najmenší objem má pri 4°C. Ako je to možné?! Molekuly vody sa pri znížení teploty síce tiež priblížia k sebe, ale vďaka ich tvaru sa usporiadajú veľmi neúsporne (do šesťuholníkov), a tak zaberú viac miesta ako keď sú od seba vzdialené. Tento jav nazývame anomália vody. V prírode je veľmi dôležitý, lebo s rastúcim objemom (hmotnosť sa s teplotou vôbec nemení) klesá hustota. Ľad má teda menšiu hustotu ako kvapalná voda, takže na nej pláva. Keďže je zároveň dobrým izolantom (aj keď sneh je ešte lepším), chráni spodné vrstvy vody pred ochladením a následným zamrznutím. Vodné organizmy teda môžu pod vrstvou ľadu ďalej plávať a prežiť zimu.