Transformări de fază

1. Transformări de fază Faza este componenta omogenă (solidă, lichidă, gazoasă) a unui sistem eterogen, separată de celelalte componente prin suprafeţe de separaţie, pe care unele mărimi suferă discontinuităţi (ex:densitatea, indicele de refracţie) Transformarea de fazăeste fenomenul de trecere a sistemului termodinamic dintr-o fazăîn alta.

2. Procesul de trecere a unui corp din fază solidă în fază lichidă se numeşte topire. Procesul invers se numeşte solidificare. Curbele din figura 7 (volumul creste la topire) şi 8 (volumul scade la topire: gheata, bismut, fonta) se numesc curbe de topire. Toate punctele de pe aceste curbe reprezintă stări de echilibru în care coexistă faza lichidă cu faza solidă. Topirea şi solidificarea

3. Din punct de vedere al modului in care loc topirea distingem două tipuri: topirea corpurilor amorfe care se produce printr-o înmuiere treptată a corpului până se ajunge la faza lichidă: sticla, ceara, smoala etc. topirea corpurilor cristaline (topirea netă) se produce prin trecerea bruscă în fază lichidă la o temperatură bine precizată: metalele, gheaţa etc. Topirea netă respectă următoarele legi: a) La o presiune dată, topirea are loc întotdeauna la aceeaşi temperatură, numită temperatură de topire, care este o caracteristică a substanţei. b) În tot timpul topirii temperatura substanţei rămâne constantă. c) Temperatura de topire este influenţată de presiunea la care este supusă substanţa. Topirea şi solidificarea

4. În timpul topirii volumul substanţei se modifică. Există substanţe al căror volum scade în urma topirii: apa, fonta, argintul, bismutul, dar majoritatea substanţelor îşi măresc volumul prin topire. Se cunoaşte foarte bine că apa care îngheaţă într-o sticlă o sparge deoarece în timpul solidificării apei volumul acesteia creşte. Dacă se toarnă într-o eprubetă parafină topită, după solidificare se constată că nivelul acesteia a scăzut. În industrie trebuie să se ia în consideraţie variaţia volumului la solidificare pentru a nu se obţine piese mai mici în urma turnării metalelor în forme (metalurgie). λt– căldura latentă specifică de topire, egală cu căldura necesară pentru a topi 1kg de substanţă. λs – căldura latentă specifică de solidificare. Topirea şi solidificarea λt=Q/m λt=λs

5. Trecerea unei substanţe din faza lichidă în faza de vapori se numeşte vaporizare. Există mai multe modalităţi de vaporizare a unui lichid în funcţie de condiţiile în care se face experimentul: vaporizare în vid, în atmosferă gazoasă, la suprafaţa lichidului şi vaporizarea în toată masa lichidului. Cantitatea de căldură necesară pentru a vaporiza la temperatură constantă o unitate de masă dintr-un lichid se numeşte căldură latentă specifică de vaporizare Vaporizarea şi condensarea

6. Topirea este un fenomen care se manifesta atat in natura cat si in tehnica. De exemplu, in zilele noastre planeta se confrunta cu topirea ghetarilor datorata incalzirii globale. Observatii recente, realizate cu ajutorul satelitilor meteorologici Radarsat-1 si Envisat, releva ca ghetarii din Groenlanda au inceput sa se topeasca in apele Oceanului Atlantic, intr-un ritm aproape dublu decat cel inregistrat in deceniul trecut. „Faptul ca topirea ghetarilor este mult mai rapida decat prognozau specialistii trebuie sa ne ingrijoreze, in contextul incalzirii globale”, spune Eric Rignot de la Jet Propulsion Laboratory, din cadrul NASA. Topirea şi solidificarea

7. h Hg Vaporizarea şi condensarea • Vaporizarea în vid • Introducînd pe rand mici cantităţi dintr-un lichid (de exemplu eter) în camera barometrică (Figura alaturata) se constată că vaporizarea în vid se face instantaneu şi presiunea creşte (înălţimea coloanei de mercur scade) pană cand apar vaporii saturanţi, adica lichidul rămane deasupra mercurului fără să se mai evapore, presiunea atingînd o valoare maximă şi constantă, pentru temperatura experimentului, numită presiunea vaporilor saturanţi.

8. Vaporizarea şicondensarea • Vaporizarea în atmosferă gazoasă • Dacă vaporizarea unui lichid se face într-un vas închis în care se găseşte un gaz se constată că aceasta se face mai lent decat în vid şi presiunea vaporilor saturanţi are aceeaşi valoare ca şi atunci cand vaporizarea s-a făcut în vid. Presiunea totală a amestecului este egală cu suma presiunilor parţiale ale gazului şi vaporilor.

9. Evaporarea Vaporizarea unui lichid prin suprafaţa sa liberă, într-o atmosferă nelimitată se numeşte evaporare. Procesul de evaporare are loc neîntrerupt, presiunea vaporilor tinzînd spre presiunea de saturaţie, pe care de fapt nu o atinge, moleculele lichidului migrînd neîntrerupt spre straturile superioare ale atmosferei. Viteza de evaporare este dată de expresia K=constanta S=suprafata libera a lichidului Pm=presiunea vaporilor saturanti P=presiunea aporilor de deasupra lichidului Po=presiune atmosferica Vaporizarea şicondensarea

10. Vaporizarea şicondensarea • Fierberea lichidelor • Fierberea reprezintă procesul de vaporizare în tot volumul lichidului. În acest proces un rol deosebit îl joacă bulele de gaz care se formează pe impurităţile solide aflate în lichid, sau pe pereţii vasului care conţine lichidul. Condiţia care trebuie îndeplinită pentru ca fierberea să aibă loc este ca presiunea vaporilor saturanţi ai lichidului să devină cel puţin egală cu presiunea exercitată din exterior asupra lichidului: • psaturpexter

11. Vaporizarea sicondensarea • Legile fierberii • Fierberea are loc cand presiunea vaporilor saturanti este egala cu presiunea de deasupra lichidului. • In timpul fierberii temperatura vaporilor din imediata vecinatate a lichidului este constanta. Temperatura de fierbere depinde de valoarea presiunii si este caracteristica fiecarei substante.

12. Vaporizarea sicondensarea • Condensarea este procesul prin care atomii sau moleculele unui corp în stare gazoasă pierd suficientă energie, prin scăderea temperaturii pentru a ajunge în stare lichidă. λc=λv

13. Vaporizarea si condensarea in natura si tehnica Vaporizarea si condensarea se intalnesc atat in natura cat si in tehnica. In natura, apa din mari si oceane se evapora. Dacă vaporii de apă întâlnesc corpuri reci(sau curenţi reci de aer) se condensează, transformându-se în stropi de apă (aşa se explică formarea ploii). Astfel, apa se reîntoarce în mari si oceane-circuitul apei în natura. Concluzii: Evaporarea si vaporizarea unui lichid conduc la răcirea corpului de pe care se evaporă, deci se produce cu absorbţie de caldura. Vaporizarea sicondensarea

14. Distilarea • Trecerea unui lichid in vapori care apoi sunt condensati prin racire se numeste distilare. • Teorema peretelui rece(Teorema lui Watt)- Intr-o incinta in care temperatura nu este aceeasi in toate punctele si in care se afla un lichid impreuna cu vaporii sai, echilibrul intre cele doua faze se realizeaza atunci cand presiunea vaporilor saturanti este aceeasi pretutindeni si corespunde celei mai joase temperaturi din incinta. • Distilarea unui amestec de doua lichide cu puncte de fierbere diferite se numeste distilare fractionata.Astfel,se realizeaza separarea celor doua lichide din amestecul brut( ex.alcoolul de apa).Se obtin diverse produse derivate ale petrolului: uleiuri, benzina,parafina, etc.

15. Sublimarea si desublimarea • Trecerea substanţei solide direct în vapori se numeşte sublimare, iar procesul invers, desublimare. De exemplu: naftalina, camforul, iodul, sulful, bromul, bismutul la temperaturi şi presiuni obişnuite se vaporizează fără a se topi. În principiu, orice substanţă poate sublima, doar că la unele presiunea de vapori este mică. Dacă vaporii proveniţi din procesul de sublimare sunt în echilibru dinamic cu solidul din care au provenit, ei se numesc vapori saturanţi.

16. Sublimarea si desublimarea • Diagrama de echilibru a unei substanţe. Punctul triplu. • Punctul de intersecţie al curbelor de vaporizare, de topire şi de sublimare ale unei substanţe se numeşte punct triplu al substanţei respective. În acest punct coexistă cele trei stări de agregare. • Diagrama de echilibru pentru o substanţă care-şi măreşte volumul la topire este dată de figura 10, iar pentru o substanţă care-şi micşorează volumul la topire este prezentată în figura 11. • Majoritatea substanţelor au doar o singură fază solidă, una lichidă şi una gazoasă. Există însă substanţe care în stare solidă pot prezenta structuri cristaline diferite, adica mai multe faze corespunzătoare aceleiaşi stări de agregare. O asemenea substanţă are mai multe puncte triple şi se numeşte substanţă polimorfă. Trecerea unei substanţe dintr-o formă cristalină în alta se numeşte transormare polimorfă, care este o tranziţie de fază de ordinul I.

17. Rezultate ale transformărilor de fazăîn natură. • NORII Aerul de la suprafata solului incarcat cu vapori de apa este antrenat prin miscari ascendente spre paturile mai inalte ale oceanului aerian,unde, dupa cum stim, presiunea atmosferica este mai scazuta. Datorita acestui fapt moleculele de aer vor suferi un proces de destindere, ceea ce va determina implicit o scadere a temperaturii,chiar daca nu se pierde energia calorica afara.Treptat,vaporii de apa vor atinge in acest fel starea de saturatie si vor condensa sau vor sublima dand nastere norilor.

18. Rezultate ale transformărilor de fazăîn natură. CEAŢA Apare în zilele când temperatura scade brusc, iar vaporii de apă din aer devin suprasaturanţi condensându-se aproape de suprafaţaPământului. Centrii de condensare sunt particulele de praf sau fum (caz în care se numeşte smog) sau ioni.

19. Rezultate ale transformărilor de fazăîn natură. Ceaţa apare des în zonele umede, unde concentraţia vaporilor de apă este mare. Condensarea vaporilor de lichid pe ionii produşi de radiaţiile radioactive este folosită pentru vizualizarea traiectoriilor acestora în camera cu ceaţă.

20. În cea mai elementară formă, o cameră cu ceaţă este un mediu sigilat care conţine vapori de apă sau alcool, superrăciţi, suprasaturaţi. Când o particulă alfasau oparticulă betainteracţionează cu vaporii, îi ionizează. Ionii rezultaţi se comportă ca nuclei de condensare, în jurul căreia se va forma ceaţă (deoarece amestecul este în pragul condensului). O altă metodă pentru evidenţierea radiaţiilor radioactive este utilizarea unei alte transformări de fază: fierberea, în camera cu bule.

21. Rezultate ale transformărilor de fazăîn tehnică. Camera cu bule este un vas umplut cu un lichid transparent supraîncălzit (cel mai adesea hidrogenlichid) folosit pentru a detecta particule încărcate electric care se deplasează prin el. Camera cu bule este similară camerei cu ceaţă în aplicaţii şi în principiul de bază. În mod normal este realizată prin umplerea unui cilindru mare cu un lichid încălzit până aproape de punctul său de fierbere. În timp ce particulele intră în cameră, un piston îi reduce brusc presiunea, iar lichidul intră într-o fază de supraîncălzire, metastabilă.

22. Rezultate ale transformărilor de fazăîn tehnică. Particulele încărcate creează o urmă de ionizare în jurul căreia lichidul se evaporă, formând bule microscopice. Densitatea bulelor în jurul unei urme este proporţională cu cantitatea de energie pierdută de particulă.Bulele cresc în mărime cu cât camera îşi creşte volumul, până devin destul de mari pentru a fi văzute sau fotografiate.

23. Rezultate ale transformărilor de fazăîn natură. • ROUA • În noptile senine de vara, vaporii de aer, în atingere cu corpurile reci de pe pamant, se condenseaza si formeaza stropi mici de apa. O data cu incalzirea aerului, stropii de apa se evapora.

24. Rezultate ale transformărilor de fazăîn natură. • PLOAIA • Se formeaza cand norii trec prin straturile reci de aer, iar vaporii se condenseaza si cad pe pamant sub forma de picaturi. Ploile sunt necesare vietii plantelor. Ele curata aerul de praf si îl racoresc.

25. Rezultate ale transformărilor de fazăîn natură. • BRUMA • In noptile senine si reci, de toamna sau de primavara, corpurile de pe pamant se racesc foarte mult. Vaporii de apa care vin în atingere cu aceste corpuri se condenseaza, iar picaturile de apa ingheata, formand un strat fin alb-stralucitor. Bruma este daunatoare culturilor. Oamenii iau masuri de protejare a culturilor, facand focuri mocnite în gradini sau in livezi. Fumul cald împiedica formarea brumei.

26. Rezultate ale transformărilor de fazăîn natură. • Toate aceste transformari de faza asupra apei duc la formarea fenomenelor naturii care realizeaza circuitul acesteia.