0437 Przemiany fazowe wody
Wprowadzenie Przeczytaj
Grafika interaktywna (schemat) Sprawdź się
Dla nauczyciela
Czy to nie ciekawe?
Rys. a. Mars. [Źródło: NASA]
Woda odkryta na Marsie znajduje się w marsjańskim gruncie w postaci lodu. Czy wiesz, że gdyby ten lód podgrzać, to nie uległby stopieniu, tylko od razu zamienił się w parę wodną? Przyczyną takiej przemiany jest niskie ciśnienie panujące na powierzchni Marsa. Przemianami fazowymi wody i ich zależnością od ciśnienia zajmiemy się w tym e‑materiale.
Twoje cele
Poznasz diagram fazowy wody.
Dowiesz się, na czym polegają przemiany fazowe wody.
Przeanalizujesz zależność temperatury wrzenia i temperatury topnienia wody od ciśnienia.
Zrozumiesz, czym jest punkt potrójny.
Zrozumiesz, czym jest punkt krytyczny i temperatura krytyczna.
0437 Przemiany fazowe wody
Przeczytaj
Warto przeczytać
Woda występuje w trzech stanach skupienia: w stanie stałym jako lód, śnieg, czy szron, w stanie ciekłym oraz w stanie lotnym jako para wodna. Stan skupienia każdej substancji zależy od temperatury i ciśnienia.
Diagram fazowy (Rys. 1.) pokazuje przedziały temperatury i ciśnienia, w których woda występuje jako ciecz, lód i para wodna. Linie na diagramie odpowiadają wartościom temperatury i ciśnienia, dla których dwie fazy są w równowadze. Na przykład pod ciśnieniem normalnym, równym 1013 hPa,
i w temperaturze 0 C lód i woda w stanie ciekłym współistnieją w stałych proporcjach, jeśli tylko nie ma wymiany ciepła z otoczeniem. Oznacza to, że lód i woda są w stanie równowagi termodynamicznej.
Podobnie, w temperaturze 100 C i przy ciśnieniu normalnym w równowadze mogą znajdować się woda w stanie ciekłym i para wodna. Każda zmiana stanu wody, związana z przekroczeniem linii równowagi dwóch faz, oznacza zmianę stanu skupienia, czyli przemianę fazową.
Rys. 1. Diagram fazowy wody
Topnienie i krzepnięcie, czyli przemiana fazowa między stanem ciekłym i stałym.
Przekroczenie linii opisanej jako „Topnienie i krzepnięcie” w kierunku zwiększającej się temperatury, oznacza zamianę lodu w ciekłą wodę, czyli topnienie lodu.
Cząsteczki lodu są ze sobą połączone, tworząc strukturę krystaliczną. Cząsteczki nie mogą swobodnie się poruszać, a tylko drgają wokół położeń równowagi. Im wyższa temperatura, tym większa jest średnia energia kinetyczna tych drgań. Gdy temperatura osiągnie wartość, zwaną temperaturą topnienia, energia ruchu drgającego cząsteczek jest już tak duża, że zerwane zostają wiązania między cząsteczkami.
Lód topi się, zamieniając się w ciekłą wodę. W stanie ciekłym cząsteczki nadal przyciągają się siłami międzycząsteczkowymi, ale mogą swobodnie przemieszczać się między sobą.
Na zerwanie wiązań między cząsteczkami potrzebna jest energia. Topnienie jest procesem wymagającym dostarczania ciepła. Podczas procesu topnienia lodu temperatura jest stała, całe
pobierane ciepło zamienia się na zerwanie połączeń między cząsteczkami. Temperatura topnienia lodu zmniejsza się ze wzrostem ciśnienia. To szczególna własność lodu, bo dla większości substancji temperatura topnienia rośnie wraz z ciśnieniem. Taka zależność temperatury topnienia od ciśnienia sprawia, że lodowce powoli płyną (Rys. 2.). Gdy lodowiec osiągnie odpowiednią grubość, ciśnienie wywierane na podstawę powoduje obniżenie temperatury topnienia i lód w dolnych warstwach staje się plastyczny. Powoduje to powolne zsuwanie się lodowca.
Jeśli temperatura wody w stanie ciekłym zmniejsza się (przesuwamy się w lewo na diagramie fazowym), to momencie osiągnięcia temperatury topnienia, następuje zmiana stanu skupienia z ciekłego na stały, czyli krzepnięcie. Temperatura krzepnięcia przy danym ciśnieniu równa jest temperaturze topnienia.
Podczas procesu krzepnięcia woda oddaje tyle samo ciepła, ile lód pobrał podczas topnienia.
o
o
Rys. 2. Lodowiec w Alpach
Parowanie, wrzenie i skraplanie, czyli przemiana fazowa między stanem ciekłym i lotnym.
Parowanie, które zachodzi w każdej temperaturze, polega na tym, że z powierzchni cieczy wylatują cząsteczki. Jak to się dzieje? Cząsteczki cieczy poruszają się z różnymi prędkościami we wszystkich kierunkach. Jeśli cząsteczka cieczy znajdzie się blisko powierzchni i w wyniku zderzenia z inną cząsteczką uzyska odpowiednio dużą energią kinetyczną, to może przezwyciężyć siły przyciągania od innych cząsteczek cieczy i opuścić ciecz. Parowanie jest powolnym procesem i zachodzi tylko na powierzchni cieczy. Szybkość parowania zależy od temperatury, ciśnienia i ruchu powietrza nad powierzchnią parującej cieczy. Jeśli temperatura jest wyższa, to więcej cząsteczek będzie miało dostatecznie dużą energię kinetyczną, aby opuścić powierzchnię cieczy. Ruch powietrza nad
powierzchnią cieczy przyczynia się do tego, że nad powierzchnią nie zbiera się para. Cząsteczki, które opuściły ciecz są usuwane i nie mogą już do niej powrócić. Zmniejszenie ciśnienia zwiększa szybkość parowania, bo cząsteczka pary, która opuściła ciecz ma mniejsze szanse na zderzenie z cząsteczką powietrza i powrót do cieczy.
Wrzenie to gwałtowne przejście ze stanu ciekłego do stanu gazowego, zachodzące w całej objętości cieczy. Wrzenie wody poznajemy po tym, że w całej objętości tworzą się bąbelki zawierające parę wodną.
Temperatura odpowiadająca punktowi na linii równowagi fazy ciekłej i lotnej, to temperatura wrzenia wody przy danym ciśnieniu. Temperatura wrzenia wody zwiększa się, gdy rośnie ciśnienie. To dlatego w wysokich górach, gdzie ciśnienie jest niskie, woda wrze w temperaturze niższej niż 100 C.
Jeśli woda i para wodna znajdują się w stanie równowagi, czyli ich temperatura i ciśnienie odpowiadają punktowi na linii oznaczonej na diagramie jako „Wrzenie i skraplanie”, to szybkość przechodzenia cząsteczek wody z cieczy do pary i odwrotnie - z pary do cieczy, jest jednakowa. Para ma największą możliwą gęstość w danej temperaturze. Taką parę nazywamy parą nasyconą.
Zarówno podczas parowania, jak i wrzenia woda pobiera ciepło.
Skraplanie jest procesem odwrotnym do parowania i wrzenia i polega na zamianie pary w ciecz. Podczas skraplania para oddaje do otoczenia ciepło dokładnie w takiej ilości, jakie pobrała podczas parowania lub wrzenia. Aby doprowadzić do skroplenia pary, należy ją oziębić. Cząsteczki pary wodnej znajdują się w dużych odległościach od siebie i nawet w niskich temperaturach mało prawdopodobne jest spotkanie w jednym miejscu wielu cząsteczek wody, aby mogła utworzyć się kropelka cieczy. Dlatego para wodna wysoko w atmosferze, gdzie temperatura może wynosić nawet -40 C, często jest w stanie
przechłodzenia. Oznacza to, że stan pary występuje w warunkach, w których zgodnie z diagramem fazowym woda powinna istnieć w stanie ciekłym lub stałym. Skraplanie pary wodnej i powstawanie chmur zachodzi na jądrach kondensacji. To drobne pyłki i drobinki kurzu, które przyciągają cząsteczki wody i przyczyniają się do tworzenia kropelek wody.
o
o
Skraplanie często obserwujemy w życiu codziennym, gdy w zimny dzień para wodna skrapla się na szybie samochodu lub na szkłach okularów. Nad czajnikiem z gotującą się wodą unosi się biały obłoczek
potocznie zwany parą. Jednak to, co widzimy, nie jest parą wodną, bo ta jest niewidoczna. Para unosząca się nad czajnikiem trafia na chłodne powietrze i skrapla się tworząc drobniutkie kropelki – mgiełkę. To właśnie tę mgiełkę widzimy. Z drobnych kropelek skroplonej pary wodnej składają się chmury, mgła i tak zwane smugi kondensacyjne widoczne za samolotami odrzutowymi.
Sublimacja i resublimacja, czyli przemiana fazowa między stanem stałym i lotnym.
Kulki naftaliny włożone do szafy dla ochrony ubrań przed molami, wydzielają charakterystyczny zapach.
Jak cząsteczki naftaliny dostały się do powietrza? Przecież nie wyparowały, bo naftalina jest w stanie stałym. Proces uwalniania się cząsteczek z ciała stałego i przechodzenia w stan lotny, nazywamy sublimacją. To proces podobny do procesu parowania. Jeśli cząsteczka znajdująca się przy powierzchni ciała stałego, przypadkowo otrzyma większą energię kinetyczną, może uwolnić się z więzów sił
międzycząsteczkowych i opuścić ciało stałe. Proces sublimacji obserwujemy również dla lodu. Na przykład podczas mroźnej, ale słonecznej pogody obserwujemy, że ilość śniegu leżącego na ziemi wyraźnie się zmniejsza, choć nie zachodzi topnienie. Sprawia to właśnie proces sublimacji. Podczas sublimacji ciepło jest pobierane.
Procesem odwrotnym do sublimacji jest resublimacja, polegająca na przechodzeniu pary wodnej
bezpośrednio w lód. W procesie resublimacji para oddaje do otoczenia ciepło, co powoduje zmniejszenie energii kinetycznych cząsteczek pary wodnej i powstawanie silnych wiązań pomiędzy nimi, czyli
utworzenie kryształu. Resublimacja pary wodnej zachodzi wysoko w atmosferze, gdzie na jądrach kondensacji powstają maleńkie kryształki lodu, które mogą następnie rosnąć, tworząc płatki śniegu.
Często utworzone podczas resublimacji kryształki lodu, opadając na dół, roztapiają się i docierają na ziemię w postaci deszczu.
Skutkiem resublimacji jest powstawanie szronu. Na skutek szybkiego spadku temperatury para wodna zawarta w powietrzu ulega resublimacji, tworząc na roślinach kryształki lodu (Rys. 3.).
Rys. 3. Szron powstaje w procesie resublimacji
Opisane przykłady sublimacji i resublimacji to procesy powolne, podobne do procesów parowania i skraplania poniżej temperatury wrzenia.
Linia na diagramie fazowym określająca stan równowagi lodu i pary wodnej leży w zakresie niskich ciśnień, mniejszych niż 612 Pa. To ciśnienie 166 razy mniejsze od ciśnienia normalnego. Punkty na tej linii określają warunki, w których para wodna i lód mogą znajdować się w równowadze termodynamicznej.
Przy przekraczaniu linii podczas zwiększania temperatury lodu, następuje gwałtowna przemiana fazowa lodu w parę wodną. Przy ciśnieniach poniżej 612 Pa woda w ogóle nie występuje w stanie ciekłym, może
być tylko lodem lub parą. To dlatego na Marsie nie może występować woda w stanie ciekłym, bowiem panuje tam średnie ciśnienie 600 Pa.
Punkt potrójny.
Punkt, w którym łączą się trzy linie równowagi dwóch faz, nazywamy punktem potrójnym. Przy tych konkretnych wartościach temperatury i ciśnienia wszystkie trzy fazy: lód, para wodna i woda w stanie ciekłym, są w równowadze. Dla wody temperatura punktu potrójnego wynosi 0,01 C, a ciśnienie 612 Pa.
Punkt krytyczny.
Na diagramie fazowym znajduje się jeszcze jeden szczególny punkt – punkt krytyczny. Przy krytycznych wartościach temperatury (374,2 C) i ciśnienia (22,11 MPa) zanika różnica między cieczą a parą. Powyżej temperatury krytycznej woda nie istnieje w fazie ciekłej – może być tylko parą. Aby zrozumieć, co się dzieje w punkcie krytycznym, wyobraźmy sobie wodę i parę wodną w naczyniu zamkniętym tłokiem.
Woda i para nasycona są w równowadze, czyli na diagramie fazowym znajdujemy się na linii równowagi tych dwóch faz. Przesuwanie się w górę wzdłuż tej linii oznacza zwiększanie się temperatury przez dostarczanie ciepła i zwiększanie ciśnienia spowodowane przesuwaniem tłoka i zmniejszaniem objętości pary nasyconej. Para nasycona staje się coraz gęstsza, aż jej gęstość stanie się równa gęstości cieczy.
W tym stanie nie można odróżnić już pary od cieczy. Jest to stan krytyczny. Gęstość wody w stanie krytycznym wynosi ρ = 317,8 kg/m , czyli jest około 3 razy mniejsza niż gęstość wody w warunkach normalnych (1000 kg/m ).
Słowniczek
Ciśnienie normalne
(ang.: normal pressure) – średnie ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza, wynosi 1013,25 hPa.
Równowaga termodynamiczna
(ang.: thermal equilibrium) – stan, w którym nie zmieniają się w czasie parametry układu takie jak:
temperatura, ciśnienie, masa, skład procentowy różnych faz substancji itp.
o
o
kr 3
3
Grafika interaktywna (schemat)
Diagram fazowy wody
Obejrzyj diagram fazowy wody, który pokazuje przedziały temperatury i ciśnienia, w których woda występuje jako ciecz, lód i para wodna. Linie na diagramie odpowiadają wartościom temperatury i ciśnienia, dla których dwie fazy są w równowadze. Kliknij w zaznaczone obszary i punkty, aby obejrzeć ich opis i zdjęcia, a następnie wykonaj polecenia.
1. A: para wodna
2. B: woda w stanie ciekłym
3. C: lód
4. D: woda i lód w równowadze Przekroczenie tej linii oznacza wrzenie wody lub skraplanie pary wodnej.
1 2
3 6 4 7 5 8
5. E: woda i para wodna w równowadze
6. F: lód i para wodna w równowadze Przekroczenie tej linii oznacza sublimację lodu lub resublimację pary wodnej.
7. G: punkt potrójny Lód, woda w stanie ciekłym i para wodna w równowadze.
t = 0,01 C, p = 612 Pa.
8. H: punkt krytyczny Zanika różnica między cieczą i parą. Powyżej temperatury krytycznej woda występuje tylko w postaci pary.
t = 374,2 C, p = 22,11 MPa.
o
o
Polecenie 1
Dopasuj opisy do punktów leżących na krzywych równowagi dwóch faz.
woda w stanie ciekłym i para wodna w równowadze, lód i para wodna w równowadze, woda w stanie ciekłym i lód w równowadze
punkt D punkt E punkt F Polecenie 2
Uzupełnij tekst.
krytyczny, para wodna, temperatury, potrójny
Punkt ... to punkt, w którym łączą się trzy linie równowagi dwóch faz. Odpowiada on takim
wartościom ciśnienia i ..., w którym wszystkie trzy fazy: lód, ... i woda w stanie ciekłym są w równowadze.
Punkt ... to punkt na diagramie fazowym, w którym zanika różnica między cieczą a parą.
Sprawdź się
Ćwiczenie 1
Które stwierdzenie jest prawdziwe:
Zarówno temperatura topnienia lodu jak i temperatura wrzenia wody zwiększają się wraz ze wzrostem ciśnienia.
Temperatura topnienia lodu zmniejsza się, a temperatura wrzenia wody zwiększa się wraz ze wzrostem ciśnienia.
Ćwiczenie 2
Połącz w pary:
A, B, B, A
1. Proces resublimacji wymaga...
2. Proces sublimacji wymaga...
3. Proces topnienia wymaga....
4. Proces skraplania wymaga....
A. ... dostarczanie ciepła B. ... odebranie ciepła
Odpowiedzi: 1... 2... 3 ... 4...
Ćwiczenie 3
Przy temperaturze powietrza -20 C powierzchnię jeziora pokrywa gruba warstwa lodu. Jaka jest temperatura lodu na granicy lodu z powietrzem, a jaka na granicy woda - lód?
Uzupełnij
o
Ćwiczenie 4
Przeanalizuj diagram fazowy wody i odpowiedz na pytania:
a) Jaka jest maksymalna temperatura wody w stanie ciekłym?
b) Jaka jest maksymalna temperatura lodu?
Uzupełnij
Ćwiczenie 5
Wartości temperatury i ciśnienia wody odpowiadają punktowi A na diagramie fazowym. Podaj dwa sposoby doprowadzenia wody do wrzenia, zmieniając za każdym razem tylko jeden parametr.
Uzupełnij
Ćwiczenie 6
Co stanie się z kostką lodu o temperaturze 0 C pływającą po powierzchni wody, gdy zostanie ona mocno skompresowana pod działaniem wielkiego ciśnienia?
Lód zatonie, bo zmniejszy się jego objętość, a zwiększy gęstość, co spowoduje zmniejszenie siły wyporu.
Lód ulegnie roztopieniu, ponieważ temperatura topnienia lodu maleje wraz ze zwiększaniem ciśnienia i po kompresji temperatura lodu 0 C stanie się większa od aktualnej temperatury topnienia.
o
o
Ćwiczenie 7
Smugi powstające po przelocie samolotu, czyli tak zwane smugi kondensacyjne, powstają, gdy samolot przelatuje przez powietrze zawierające parę wodną. Samolot wyrzuca gazy spalinowe, zawierające
dodatkową parę wodną, dwutlenek węgla, tlenki azotu i węgla, oraz mikrocząstki sadzy, powstałe w wyniku spalania w wysokiej temperaturze paliwa lotniczego. Cząstki te stanowią jądra kondensacji, na których skrapla się para wodna, tworząc widoczne z daleka smugi. Przyjrzyj się zdjęciu smug kondensacyjnych i wyjaśnij, dlaczego smugi kondensacyjne tworzą się w pewnej odleglości za samolotem, a tuż za samolotem nie są widoczne.
Uzupełnij
Ćwiczenie 8
Parę wodną o temperaturze 120 C i ciśnieniu normalnym zamknięto w butli i przy stałej temperaturze zwiększano ciśnienie, aż do otrzymania wody w stanie ciekłym. Zaznacz na wykresie fazowym punkty początkowy i końcowy tej przemiany. Jaka przemiana fazowa zaszła?
o
Dla nauczyciela
Imię i nazwisko autora: Krystyna Wosińska
Przedmiot: Fizyka
Temat zajęć: Przemiany fazowe wody
Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony
Podstawa programowa:
Cele kształcenia – wymagania ogólne
I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.
II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.
Zakres podstawowy
Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych
postaciach.
V. Termodynamika. Uczeń:
6) wymienia szczególne własności wody i ich konsekwencje dla życia na Ziemi.
Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych
postaciach;
VI. Termodynamika.
Uczeń:
8) wymienia szczególne własności wody i ich konsekwencje dla życia na Ziemi.
Kształtowane
kompetencje kluczowe:
Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:
kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,
kompetencje cyfrowe,
kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.
Cele operacyjne:
Uczeń:
1. opisze diagram fazowy wody.
2. wyjaśni, na czym polegają przemiany fazowe wody.
3. przeanalizuje zależność temperatury wrzenia i temperatury
3. przeanalizuje zależność temperatury wrzenia i temperatury topnienia wody od ciśnienia.
4. wyjaśni, czym jest punkt potrójny.
5. wyjaśni, czym jest punkt krytyczny i temperatura krytyczna.
Strategie nauczania: strategia eksperymentalno‑obserwacyjna (dostrzeganie i definiowanie problemów)
Metody nauczania:
- wykład informacyjny, - pokaz multimedialny, - analiza pomysłów.
Formy zajęć: - praca w grupach, - praca indywidualna.
Środki dydaktyczne: komputer z rzutnikiem lub tablety do dyspozycji każdego ucznia
Materiały pomocnicze:
e‑materiały: „Woda z punktu widzenia mikroświata”, „Jakie konsekwencje dla życia na Ziemi ma woda?”, „Dlaczego lód pływa po wodzie?”,
„Szczególne własności wody”.
PRZEBIEG LEKCJI Faza wprowadzająca:
• Wprowadzenie zgodnie z treścią w części „Czy to nie ciekawe?”.
• Odwołanie do wiedzy uczniów o stanach skupienia i przemianach fazowych wody.
Faza realizacyjna:
Uczniowie wymieniają obserwowane w życiu codziennym przemiany fazowe wody. Z pomocą nauczyciela opisują warunki zachodzenia przemian. Nauczyciel przedstawia diagram fazowy wody, tłumacząc, czym są linie równowagi dwóch faz. Uczniowie analizują, co dzieje się z wodą, gdy
przechodzimy od jednego punktu do drugiego na diagramie fazowym. Nauczyciel wyjaśnia, czym jest punkt potrójny i punkt krytyczny wody. Uczniowie oglądają grafikę interaktywną i wykonują
połączone z nią polecenia.
Faza podsumowująca:
Uczniowie w grupach dyskutują nad odpowiedzią na pytania zadane w ćwiczeniu 4 oraz rozwiązują zadanie 8 z części „Sprawdź się”.
Praca domowa:
Zadania z części „Sprawdź się”: 1 – 3 obowiązkowo, jedno z pozostałych zadań do wyboru.
Wskazówki metodyczne opisujące różne
zastosowania danego multimedium:
Grafika interaktywna może też być wykorzystana przez uczniów po lekcji do powtórzenia i utrwalenia materiału.
