Szczególne własności wody i przemiany fazowe

Potrzebne wiadomości: Gęstość, temperatura i ciepło przemiany.

Nie każda ciecz zachowuje się tak samo

Przy zwykłym ciśnieniu ciekła woda ma największą gęstość w pobliżu 4°C. Chłodzenie od wyższej temperatury ku temu zakresowi zwiększa gęstość i sprzyja opadaniu wody. Dalsze chłodzenie ku 0°C zmniejsza gęstość. Powstający lód ma jeszcze mniejszą gęstość, więc może utrzymywać się na powierzchni i ograniczać wymianę ciepła.

Wysokie ciepło właściwe wody sprawia, że dana energia powoduje mniejszą zmianę temperatury niż dla podobnej masy wielu innych substancji. Duże ciepło parowania pozwala odbierać znaczną energię podczas odparowywania. Są to różne własności, których nie należy wyjaśniać jednym wzorem na gęstość.

Co dzieje się w jeziorze podczas ochładzania?

Wyobraź sobie wodę o temperaturze 10°C. Chłodniejsza warstwa przy powierzchni jest początkowo gęstsza i może opadać, mieszając jezioro. Gdy okolica powierzchni schłodzi się poniżej około 4°C, kierunek zależności gęstości się odwraca: jeszcze chłodniejsza woda nie musi już opadać. Może utworzyć warstwę nad wodą bliższą 4°C.

Ten obraz tłumaczy możliwość zamarzania od góry, lecz nie jest rozkładem temperatur każdego jeziora. Wiatr, głębokość, dopływy i zasolenie zmieniają warunki. Szczególne zachowanie czystej wody nie usprawiedliwia reguły „każda zimniejsza ciecz jest lżejsza”.

Objętość, masa i bezpieczny wniosek

Dla 0,92 kg wody i podanych w zadaniu gęstości V=m/ρ daje 0,92 l cieczy oraz 1,00 l lodu. Przyrost 0,08 l stanowi około 8,70% początkowej objętości, nie 8%: mianownikiem porównania jest 0,92 l. Masa obu próbek pozostaje taka sama.

Nie można bez dalszych danych obliczyć ciśnienia w całkowicie wypełnionym, zamkniętym naczyniu. Zależy ono także od odkształcania ścian, ściśliwości, temperatury i przebiegu krzepnięcia. Model objętości nie jest zachętą do zamrażania zamkniętych szklanych butelek.

Fazy i równowaga

Topnienie i krzepnięcie łączą ciało stałe z cieczą, parowanie i skraplanie ciecz z gazem, sublimacja i resublimacja ciało stałe z gazem. Parowanie może zachodzić z powierzchni poniżej temperatury wrzenia. Wrzenie obejmuje powstawanie pęcherzy pary w objętości i zależy od ciśnienia zewnętrznego.

Podczas przemiany czystej substancji przy ustalonym ciśnieniu i współistnieniu faz temperatura może pozostać stała mimo dopływu energii. Zmienia się udział faz i energia wewnętrzna. Nie oznacza to, że każdy fragment rzeczywistego naczynia ma identyczną temperaturę ani że mieszanina substancji musi mieć równie ostry punkt przemiany.

Energia podczas topnienia i parowania

Załóżmy mieszaninę lodu z wodą przy 0°C. Dostarczenie 33,4 kJ może stopić 0,100 kg lodu, jeżeli przyjmujemy ciepło topnienia 334 kJ/kg i lodu jest wystarczająco dużo. Termometr może nadal wskazywać 0°C. Zmiana jest widoczna w ilości lodu, nie w odczycie temperatury.

Parowanie zabiera energię również bez wrzenia. Szybsze cząsteczki mogą opuszczać powierzchnię, a otoczenie dostarcza energii pozostałej cieczy. Przewiew usuwa wilgotne powietrze przy tkaninie, co często ułatwia dalsze parowanie. Nie trzeba więc ogrzać prania do 100°C. Biała chmurka nad czajnikiem jest przede wszystkim zbiorem drobnych kropelek; sama para wodna jako gaz nie jest taką białą mgłą.

Zadania do tego tematu

• Objętość lodu z tej samej masy wody
• Dlaczego temperatura lodu z wodą nie musi rosnąć?
• Szron, rosa i parowanie mokrej tkaniny

Dalsza lektura

Materiał referencyjny