Najważniejsze temperatury topnienia i wrzenia
advertisement
TERMODYNAMIKA I ENERGIA WEWNĘTRZNA CIAŁA 1. Temperatura – jedna z podstawowych wielkości fizycznych w termodynamice. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii. Temperatura jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła, gdy zaś temperatura obu ciał jest różna, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej – aż do wyrównania się temperatury obu ciał. Kelwin jest główną jednostką temperatury przyjętą w układzie SI i uznawaną przez cały świat naukowo-techniczny. Najczęściej używaną w Polsce i wielu innych krajach jednostką temperatury są stopnie Celsjusza. Wzór do przeliczania temperatury w stopniach Celsjusza na temperaturę w kelwinach jest następujący: gdzie t jest w °C. 2. Sposoby zmiany temperatury Odczucie ciepła lub zimna nie jest jednoznacznym wskaźnikiem temperatury. Gdy jedną ręką dotkniemy drewnianego blatu szkolnego stolika, a drugą - jego metalowej nogi, czujemy wyraźnie, że noga jest zimniejsza. Jeśli się przez chwilę zastanowimy, zrozumiemy, że ponieważ stolik jest zbudowany ze stykających się elementów, to w każdym jego miejscu temperatura jest taka sama. Nasze odczucie jest więc związane z czym innym - nasza ręka ma temperaturę wyższą niż stolik, więc następuje między nimi przepływ ciepła. Ale drewno wolniej odprowadza ciepło z naszej ręki niż metal, więc odczuwamy je jako cieplejsze. Mówimy, że drewno ma mniejsze przewodnictwo cieplne niż metal. Konwekcja Poznaliśmy już jeden sposób przekazywania energii wewnętrznej - przez przewodzenie. Gdy między dwoma zetkniętymi ciałami istnieje różnica temperatur, na skutek tej różnicy następuje przepływ energii - od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Cząsteczki ciała cieplejszego, a więc obdarzone większą energią kinetyczną, wprawiają w szybszy ruch cząsteczki ciała zimniejszego. Przekazywanie energii w tym zjawisku odbywa się na poziomie zderzeń międzycząsteczkowych. Istnieją także inne sposoby - bardzo rozpowszechnione jest zjawisko zwane konwekcją. Zachodzi ono w cieczach i gazach, czyli jak mówimy -w płynach. Energia jest tu przekazywana wraz z przemieszczającą się masą cieplejszego płynu. Gdy płyn znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze, wtedy ta część płynu, która bezpośrednio przylega do gorącego ciała, ogrzewa się; zwiększa wtedy swoją objętość na skutek rozszerzalności cieplnej, a to znaczy, że jej gęstość maleje. Powoduje to powstanie siły wyporu skierowanej ku górze, co wynika z prawa Archimedesa (przeczytasz o nim w następnym rozdziale). Zatem cieplejsza część płynu unosi się do góry, a na jej miejsce napływa część chłodniejsza, która z kolei zaczyna się ogrzewać, i proces trwa dalej. TERMODYNAMIKA Promieniowanie Istnieje jeszcze jeden sposób zwiększania temperatury, nie wymagajacy pośrednictwa materii - promieniowanie. Jeśli zastanowimy się, jak dociera do nas ciepło i światło ze Słońca, zrozumiemy, jak jest ważny. Pokonują one przestrzeń kosmiczną między Ziemią i Słońcem próżnię, a następnie otaczającą Ziemię atmosferę. Poznane juz sposoby przenoszenia ciepła tu nie działają. Kontakt cieplny wymaga obecnosci materii, a tej w próżni kosmicznej nie ma. Z tego samego powodu nie wystepuje tam konwekcja. Z kolei powietrze atmosferyczne jest złym przewodnikiem ciepła, a konwekcja mogłaby się zacząć dopiero po ogrzaniu powierzchni Ziemi. Ze Słońca dociera do nas promieniowanie. Wszystkie ciała o temperaturze powyżej 0 K wysyłają promieniowanie, wszystkie tez je pochłaniają. Dzięki temu promieniowanie jest obecne w naszym życiu także w mniejszej, nie tak "kosmicznej " skali. Energia wewnętrzna jest to jakby suma energii ciała oddana do dyspozycji zjawisk cieplnych. Składa się ona więc przede wszystkim z energii kinetycznej ruchu cząsteczek (czyli od temperatury) oraz energii wiązań międzycząsteczkowych. Energię wewnętrzną zazwyczaj oznacza się literą U (duże U). Jednostką energii wewnętrznej jest dżul (J), co jest oczywista, jako że jest to jednostka wszystkich rodzajów energii. Pierwsza zasada termodynamiki precyzuje zależność zmiany energii wewnętrznej od dostarczonego ciepła i pracy. I zasada termodynamiki Pierwsza zasada termodynamiki wyraża się następującym wzorem: ∆U = Q + W ∆U - zmiana energii wewnętrznej ciała/układu - jednostka w układzie SI: dżul J Q - ciepło dostarczone do ciała/układu - jednostka w układzie SI: dżul J W - praca wykonana nad ciałem/układem - jednostka w układzie SI: dżul J Treść tego wzoru (a więc i I zasady termodynamiki) można przedstawić w postaci sformułowania: Zmiana energii wewnętrznej ciała, lub układu ciał jest równa sumie dostarczonego ciepła i pracy wykonanej nad ciałem /układem ciał. II ROZSZERZALNOŚĆ TEMPERATUROWA 1. Dylatoskop to przyrząd do demonstrowania rozszerzalności liniowej ciał stałych, czyli wydłużaniu się ciał stałych podczas ogrzewania (wzrostu ich temperatury) i kurczeniu się przy studzeniu (obniżaniu temperatury). Można obserwować zmianę długości ciała stałego pod wpływem zmiany temperatury. Rozszerzający się pręt metalowy będzie na zasadzie dźwigni unosić wskazówkę. Wykonanie : badany pręt umieszczamy w dylatoskopie blokujemy jego położenie za pomocą śruby, drugi koniec pręta rozszerzając się podnosi wskazówkę. Ogrzewamy pręt za pomocą palnika gazowego lub z pomocą palącego się denaturatu w rynience pod prętem. TERMODYNAMIKA Obserwacja : wydłużenie pręta można obserwować dzięki wychyleniu wskazówki na tle skali. Umieszczając pręty wykonane z różnych materiałów można obserwować różne wychylenia wskazówki dylatoskopu w czasie ogrzewania przez taki sam okres czasu. Wnioski : współczynnik rozszerzalności liniowej jest wielkością typową dla danego rodzaju materiału. http://www.radio.rzeszow.pl/script/radiolatorium/fizyka/dylatoskop.php 2. Pierścień Gravesanda Jest to przyrząd składający się z kuli oraz pierścienia wykonanych z tego samego materiału (metalu). Rozmiary kulki i pierścienia są tak dobrane aby w temperaturze pokojowej kulka swobodnie przechodziła przez pierścień. Wykonanie : kulkę ogrzewamy w płomieniu palnika gazowego, sprawdzamy czy po ogrzaniu kulka przechodzi przez pierścień. Obserwacja : kulka ogrzana do wysokiej temperatury nie przechodzi przez pierścień natomiast w temperaturze pokojowej swobodnie przez niego możemy ją przełożyć. Wnioski : zmiana temperatury metali powoduje zmianę ich rozmiarów, w tym przypadku jest to zmiana objętości. TERMODYNAMIKA 3. Przerwy dylatacyjne Zjawisko rozszerzalności trzeba uwzględnić we wszelkich pracach inżynierskich, gdyż elementy konstrukcyjne mają inne rozmiary latem i zimą i znalazło wykorzystanie w wielu przyrządach. Przykładowo rozszerzalność cieczy (najczęściej zabarwionego alkoholu lub rtęci) wykorzystano w termometrach cieczowych. Stalowe przęsła mostu mogą być latem nawet o pół metra dłuższe niż zimą. Stosuje się wtedy stalowe "grzebienie", za których pomocą łączy się poszczególne części nawierzchni mostu. Nie przyczepia się też mostu sztywno do podłoża, lecz pod jednym z końców przęsła umieszcza stalowe walce, po których ten koniec może się toczyć. taki ruch umożliwiają przerwy dylatacyjne (dylatacja znaczy rozszerzanie). Budując drogę z betonową nawierzchnią, zostawia się szczeliny aby beton miał miejsce na rozszerzanie się w upalne dni. Napowietrzne przewody telefoniczne lub energetyczne są latem zawieszane luźno, aby się nie zerwały, kiedy będzie zimno i skurczą się. Linie energetyczne trakcji kolejowych i tramwajowych muszą być odpowiednio naciągnięte aby rozszerzalność nie zmieniała wysokości na której wiszą. Szklarz podczas wprawiania szyby zimą musi zostawić wolne miejsce w ramie okna aby szyby mogły się swobodnie zwiększać swoje rozmiary. Inaczej podczas wzrostu temperatury popękają Oczywiście zimą przerwy muszą być większe, a latem mniejsze. Linie ciepłownicze doprowadzające wodę na powierzchni ziemi nie są proste. Wykonuje się specjalnie kolana (patrz zdjęcie wyżej). Gdy rury rozszerzają się lub kurczą to zmieniają swoje rozmiary i przesuwają się na zagięciach i nie następuje ich wyginanie lub pękanie. 4. Bimetal Każdy metal rozszerza się inaczej. Element wykonany z dwóch metali różniących się rozszerzalnością cieplną nazywamy bimetalem. Po podgrzaniu bimetal wygina się ponieważ jeden z metali bardziej wydłuża się niż drugi. Wykorzystuje się to TERMODYNAMIKA produkcji czujników automatycznego regulowania temperatury. Czujniki te stosuje się między innymi w pralkach, lodówkach, żelazkach, kuchenkach elektrycznych. W piecykach gazowych czujnik odcina dopływ gazu gdy zgaśnie świeczka. Pracę czujnika przedstawiamy na przykładzie żelazka. Czujnik włącza prąd w grzejniku żelazka, gdy jego temperatura osiągnie Czujnik automatycznego zadaną wartość. Gdy bimetaliczny pasek nagrzeje się, jego regulowania od żelazka wygięcie sprawi, że obwód elektryczny zostanie przerwany. Po krótkim czasie, gdy pasek ostygnie obwód zostanie zamknięty i grzałka ponownie rozgrzeje żelazko. III CIEPŁO WŁAŚCIWE 1. Pojęcia ciepła jest przez fizyków rozumiane w sposób szczególny: Ciepło jest to ta część energii wewnętrznej przekazywana od ciała cieplejszego do ciała chłodniejszego, która odbywa się w oparciu o mikroskopowy mechanizm zderzeń między cząsteczkami/atomami. Przekazu ciepła nie widać gołym okiem. Zazwyczaj nie obserwujemy żadnego dostrzegalnego ruchu, czy innych prostych objawów (wyjątkiem byłyby sytuacje, w których ktoś skonstruowałby jakieś specjalne urządzenie do wskazywania przepływu energii cieplnej). Ciepło zawsze przepływa od ciała o wyżej temperaturze, do ciała o niższej temperaturze. Przekaz ciepła wiąże się z faktem, że zetknięcie cząsteczek ciała cieplejszego (szybciej się poruszających) z cząsteczkami ciała chłodniejszego (wolniejszych), powoduje zderzanie się ich i pobudzanie tych ostatnich do szybszego ruchu, przy spowalnianiu cząsteczek oddających swoją energię kinetyczną. Mechanizm przekazywania ciepła działa zarówno w przypadku ciał stałych, cieczy, jak i gazów. Różnica jest tylko taka, że ciała stałe mają cząsteczki dość mocno „umocowane” w węzłach sieci krystalicznej, dzięki czemu nie mogą odlecieć, choć nieraz dość intensywnie drgają w swoich położeniach równowagi. Cząsteczki gazów i cieczy nie są przywiązane do jednego miejsca, dzięki czemu mogą się ze sobą mieszać. Jednak bez względu na to, czy ruch odbywa się na względnie duże odległości (jak w przypadku gazów) czy też cząsteczki mogą wykonywać wyłącznie ruchy drgające wokół położenia równowagi, to faktem jest, że po pewnym czasie energia szybszych cząstek jest przekazywana wolniejszym – dochodzi do przewodzenia ciepła. TERMODYNAMIKA W wyniku przekazu ciepła dochodzi najczęściej do wyrównywania temperatur - ciało cieplejsze (oddające ciepło) ochładza się, a ciało chłodniejsze ogrzewa. Oznaczenie ciepła Q 2. Jednostka ciepła Jednostką ciepła jest dżul (J), co wynika z faktu, że ciepło jest forma energii, a dżul jest jednostką wszystkich rodzajów energii. [Q] = J Uwaga - na trudny element pojęcia ciepła! Pojęcie ciepła nie jest wcale łatwe do zrozumienia. W szczególności warto zapamiętać, że żadne ciało ciepła nie "posiada". Ciepło może być tylko przekazywane. 3. Ciepło właściwe Ciepło właściwe jest współczynnikiem określającym skłonność ciała do łatwiejszej lub trudniejszej zmiany temperatury pod wpływem dostarczonej energii cieplnej. Jest ono ściśle związane ze wzorem na ilość energii cieplnej potrzebnej do ogrzania / ochłodzenia ciała. Wzór na ciepło właściwe jest prostym przekształceniem wzoru na tę energię: Oczywiście jednostkę ciepła właściwego możemy znaleźć dzieląc jednostkę ciepła (dżul) przez jednostkę masy (kg) i temperatury (K). Czyli Lub można użyć postaci przekształconej do jednostek podstawowych: Ciepło właściwe jest zależne od substancji i od jej stanu skupienia. TERMODYNAMIKA 4. Zmiany stanów skupienia Stany skupienia ciał mogą ulegać zmianie pod wpływem: -dostarczonego /odebranego ciepła (zmiany energii wewnętrznej) -zmiany ciśnienia Zmiany stanu skupienia są jednym z przykładów przejść fazowych, czyli zmiany fazy substancji (pojęcie "fazy" jest szersze niż stanu skupienia bo obejmuje także np. różne postacie krystaliczne, czy np. zmianę własności magnetycznych substancji). Nazwy zmian stanów skupienia stan końcowy ciało stałe ciecz gaz ciało stałe bez zmiany stanu topnienie sublimacja ciecz krzepnięcie bez zmiany stanu parowanie (wrzenie) gaz resublimacja skraplanie bez zmiany stanu stan początkowy Stan równowagi, a stany nieustalone Opisane warunki dotyczące zmian stanów skupienia dotyczą sytuacji, w których ciała znajdują się w stanie równowagi - tzn. mamy ustabilizowanie obu faz substancji. W stanie ustalonym ciało zachowuje swój stan skupienia dowolnie długo. W typowych życiowych sytuacjach mamy jednak do czynienia z zaburzeniami stanów równowagi wciąż następują zmiany, a dodatkowo różne substancje są wymieszane i w różny sposób zmieniają swoje stany. I tak np. podczas mrozu w zimie leżący śnieg (lód) powoli sublimuje (im wyższa temperatura, tym szybciej) przechodząc do stanu lotnego. Jednak podczas odwilży mamy do czynienia już z trzema stanami skupienia - stałym (leżącym śniegiem), ciekłym (wodą z roztopionego śniegu) i lotnym. Mogą tu zachodzić jednocześnie różne konkurencyjne procesy - śnieg sublimuje i topnieje, jednocześnie jednak część pary wodnej resublimuje, ew. skrapla się osadzając się na chłodniejszych elementach. Ciecz też może w częściowo powracać do stanu stałego, lub częściowo parować. Wszystkie te procesy zachodzą równocześnie, jednak w zależności od temperatury i ciśnienia jedne biorą górę nad innymi i dlatego ostatecznie przy wyższych temperaturach dochodzi do stopienia się śniegu i wyparowania wody, zaś przy temperaturach poniżej zera może dość do osadzania się szronu, spadku śniegu (co jest związane z resublimacją) itp. Ogrzewanie/ochładzanie bez zmiany stanu skupienia Podczas ogrzewania (dostarczania ciepła) bez zmiany stanu skupienia dochodzi do wzrostu temperatury ciała. W przypadku odwrotnym - oziębiania - temperatura maleje. Większość substancji (ciała stałe, ciecze, gazy) reaguje zmianą na dostarczone ciepło w sposób proporcjonalny - tzn. np. 2 razy większe dostarczone ciepło powoduje 2 razy większy przyrost temperatury. Rządzi tym wzór: TERMODYNAMIKA Q = m cw Δt Q - ciepło pobierane/oddawane przez ciało podczas ogrzewania/oziębiania - układzie SI wyrażone w dżulach J m - masa substancji - układzie SI wyrażone w kilogramach cw - ciepło właściwe tej substancji - układzie SI wyrażone w J/Kg∙K Δt = tkońc - tpocz (przy ogrzewaniu) przyrost temperatury - jednostka w układzie SI: kelwin K Δt = tpocz - tkońc (przy oziębianiu) zmiana temperatury - jednostka w układzie SI: kelwin K Uwagi: Powyżej zdefiniowane wartości dla Δt wiążą się z sytuacją, gdy wzór jest wykorzystywany do obliczeń w bilansie cieplny. Wtedy wartość ciepła powinna być podstawiana jako dodatnia. Jednak jest to tylko konwencja. W przypadku gdy nie zachodzą żadne dodatkowe procesy, to najczęściej wyznaczane w tym wzorze ciepło jest równe po prostu zmianie energii wewnętrznej ogrzewanego ciała. Jest to nieco dokładniej opisane w rozdziale poświęconym pierwszej zasadzie termodynamiki. Parowanie jest zmianą stanu skupienia polegającą na przejściu ze stanu ciekłego do stanu lotnego. Do tego procesu potrzebna jest energia. Wartość tej energii zależy od dwóch czynników: masy parującej substancji (czyli jej ilości) właściwości tej substancji opisywanej współczynnikiem o nazwie "ciepło parowania". Wzór na energię potrzebną do wyparowania określonej ilości substancji Wzór na energię (cieplną) potrzebną do wyparowania cieczy ma postać: Qp = m ∙ R Qp - energia potrzebna do wyparowania tej ilości substancji - jednostka w układzie SI: dżul J m - masa parującej substancji - jednostka w układzie SI: kilogram kg R - ciepło parowania - współczynnik charakteryzujący substancję - jednostka w układzie SI: dżul przez kilogram J/kg. Współczynniki R są podawane w tablicach i odnoszą się najczęściej do parowania zachodzącego w temperaturze wrzenia danej cieczy. W innych temperaturach współczynnik ten może posiadać inną wartość. TERMODYNAMIKA Uwaga 1 - temperatura nie ulega zmianie Wzór podany wyżej odnosi się do sytuacji, w której po wyparowaniu cieczy, powstała para ma temperaturę równą temperaturze cieczy, z której powstała. W celu dalszego ogrzania pary potrzebna byłaby oczywiście dodatkowa energia. Uwaga 2 - opisywana energia jest oddawana podczas skraplania Podany wyżej wzór odnosi się nie tylko do sytuacji, w której paruje ciecz. Także proces odwrotny skraplanie (także bez zmiany temperatury) związany jest z taką energią. Jednak w przypadku skraplania energia tej jest oddawana przez parę, a nie pobierana. Energia topnienia Topnienie jest zmianą stanu skupienia polegającą na przejściu ze stanu stałego do stanu ciekłego. Do tego procesu potrzebna jest energia. Wartość tej energii zależy od następujących czynników: masy substancji (czyli jej ilości) właściwości topiącej się substancji opisywanej współczynnikiem o nazwie "ciepło topnienia". Wzór na energię potrzebną do stopienia określonej ilości substancji Wzór na energię (cieplną) potrzebną do stopienia określonej ilości ciała stałego ma postać: Qt = m ∙ L Qp - energia potrzebna do stopienia danej ilości substancji - jednostka w układzie SI: dżul J m - masa topiącej się substancji - jednostka w układzie SI: kilogram kg L - ciepło topnienia - współczynnik charakteryzujący substancję - jednostka w układzie SI: dżul przez kilogram J/kg. Współczynniki L są podawane w tablicach i odnoszą się najczęściej do topienia się zachodzącego w temperaturze topnienia danej cieczy (i pod ciśnieniem normalnym). W innych temperaturach współczynnik ten może posiadać inną wartość. Uwaga 1 - temperatura nie ulega zmianie Wzór podany wyżej odnosi się do sytuacji, w której po stopieniu się ciała stałego, powstała ciecz ma temperaturę równą temperaturze ciała stałego, z której powstała (w ten sposób podczas topienia zachowują się ciała krystaliczne). W celu dalszego ogrzania cieczy potrzebna byłaby oczywiście dodatkowa energia. Uwaga 2 - opisywana energia jest oddawana podczas krzepnięcia Podany wyżej wzór odnosi się nie tylko do sytuacji, w której zachodzi topienie się ciała stałego. Także proces odwrotny - krzepnięcie (także bez zmiany temperatury) związany jest z tą energią. Jednak w przypadku krzepnięcia energia tej jest oddawana przez ciecz, a nie pobierana. TERMODYNAMIKA Temperatura przejścia fazowego W tym rozdziale wyjaśnione zostaną m.in. pojęcia: temperatura topnienia temperatura wrzenia. W celu poprawnego wyjaśnienia co to jest temperatura topnienia i temperatura wrzenia niezbędne jest posłużenie się pojęciem równowagi termodynamicznej. Stan równowagi termodynamicznej Zmiany stanu skupienia ciał, czyli ogólniej mówiąc "przejścia fazowe" mogą zachodzą najczęściej pod wpływem: dostarczonego /odebranego ciepła (zmiany energii wewnętrznej) zmiany ciśnienia. Niemal wszystkie przejścia fazowe w jakimś stopniu mogą zachodzić właściwie w dowolnej temperaturze - np. w tym samym czasie zachodzić i topnienie, i proces odwrotny krzepnięcie; i parowanie i częściowe skraplanie. Np. jednocześnie zachodzi topnienie lodu i krzepnięcie wody w różnych obszarach bryły lodu stykającej się z wodą. Jednak w zależności od temperatury ciała przewagę zdobywa jeden proces nad konkurencyjnym - np. w temperaturze powyżej zera (w warunkach normalnych) topienie się lodu ma przewagę nad krzepnięciem wody. Z kolei w temperaturach poniżej zera przewagę zdobywa krzepnięcie i dzięki temu po jakimś czasie powierzchnia zbiorników wodnych zimą pokrywa się lodem. W sytuacji granicznej - gdy procesy w jedną i drugą stronę mają tę samą szybkość (czyli np. tyle samo wody krzepnie, co lodu się topi) - mówimy o znajdowaniu się substancji w stanie równowagi termodynamicznej. Dane w tablicach Dla wielu typowych substancji w tablicach fizycznych podawane są ich temperatury topnienia, czy wrzenia. Niemal zawsze odnoszą się one do: substancji znajdującej się stanie równowagi termodynamicznej ciśnienia normalnego (patrz rozdział: Warunki normalne) Nazwy temperatur z poniższej tabelki też są definiowane w oparciu o ww. warunki TERMODYNAMIKA Temperatury zmian stanów skupienia stan końcowy ciało stałe ciecz gaz ciało stałe bez zmiany stanu temperatura topnienia ... ciecz temperatura krzepnięcia, lub temp. topnienia bez zmiany stanu temperatura wrzenia gaz ... temperatura wrzenia bez zmiany stanu stan początkowy Jak widać z poniższej tabelki mamy dwie istotne temperatury dla każdej substancji: temperatura topnienia temperatura wrzenia. Niekiedy używa się pojęć "temperatura krzepnięcia", ale i tak jest ona równa temperaturze topnienia. temperatura krzepnięcia = temperatura topnienia temperatura wrzenia = temperatura skraplania w warunkach równowagi termodynamicznej Nie ma pojęcia temperatury sublimacji, ponieważ bardzo trudno byłoby znaleźć ciało, które wcale nie posiada fazy ciekłej pod ciśnieniem normalnym, posiadając przy tym fazę stałą i gazową. Co prawda dla większości substancji możliwe jest współistnienie stanu gazowego i stałego w warunkach równowagi termodynamicznej, jednak zazwyczaj zachodzi to dla warunków znacznie różniących się od normalnych. Najważniejsze temperatury topnienia i wrzenia Dwoma niezwykle ważnymi temperaturami związanymi ze zmianami stanów skupienia są termodynamice niewątpliwie temperatury: topnienia lodu / krzepnięcia wody, wynoszącej 273,15 K = 0 °C. wrzenia wody, czyli 100 °C TERMODYNAMIKA Temperatury te służą do ustalenia skali Celsjusza (ew. szukaj dodatkowych wiadomości w rozdziale temperatura). Inną bardzo ważną temperaturą związaną z wodą jest temperatura punktu potrójnego wody (służy ona do zdefiniowania skali Kelwina). Realne sytuacje W rzeczywistości typowe zmiany stanów skupienia - topnienie, wrzenie - nie do końca odpowiadają opisanej sytuacji modelowej. Np. wrzenie wody w czajniku, nawet zachodzące pod ciśnieniem normalnym, nie odbywa się w warunkach równowagi termodynamicznej. Dlatego proces ten przebiega tak burzliwie (bulgocą bąbelki pary wodnej). Jednak odniesienie do sytuacji w stanie równowagi ma jak najbardziej sens, bo sama temperatura wrzenia odnosi się tak samo do wody w stanie równowagi termodynamicznej, jak i w stanie braku tej równowagi. Podobna sytuacja zachodzi w przypadku gwałtownego topnienia, czy krzepnięcia. Bilans cieplny Ciepło jest formą energii (energią przekazywaną na sposób mikroskopowy), a zatem podlega ono jednemu z najbardziej podstawowych praw fizyki - zasadzie zachowania energii. W myśl tej zasady energia nie zanika bez śladu, a więc i ciepło też nie może nagle ginąć, lub powstawać z niczego podczas jego przemian termodynamicznych. Podstawowe równanie bilansu cieplnego ma postać: Ciepło oddane = Ciepłu pobranemu lub, używając symboli: Qpobr = Qodd Oba ciepła będące składnikami równania są liczone jako dodatnie - tzn. należy tak podstawiać do wzoru składniki ciepła pobranego i oddanego, aby obliczone ciepło miało wartość dodatnią. Bilans cieplny w zadaniach - uwagi W konkretnych zastosowaniach zarówno ciepło poprane, jak i oddane składa się często z kilku składników. Qpobr1 + Qpobr2 + Qpobr3 + ... = Qodd1 + Qodd2 + Qodd3 + ... Jeśli pomylimy się w zadaniu z oszacowaniem temperatury końcowej i nagle okaże się, że np. jakieś ciepło oddane, tak naprawdę jest pobrane (lub na odwrót), to mogą wystąpić różne sytuacje: w przypadku gdy chodzi o ogrzewanie / chłodzenie bez zmiany stanu skupienia, po prostu w wyniku wyjdzie nam ujemny przyrost temperatury. Większy problem z bilansem cieplnym pojawia się gdy ominiemy jakąś zmianę stanu skupienia. Wtedy wyniki wyjdą zapewne błędne. TERMODYNAMIKA Dlatego trzeba zawsze zwracać uwagę na to, czy w sumarycznym cieple oddanym, lub pobranym znajdują się wszystkie składniki. Jeśli nie jesteśmy pewni, czy do jakiejś zmiany stanu skupienia dojdzie, to trzeba to najpierw obliczyć, sprawdzając np. czy oddawanego ciepła starcza na dokonanie (przynajmniej częściowej) przemiany. Wzory na energię związaną z parowaniem, skraplaniem, topnieniem i krzepnięciem omówione zostały w rozdziałach Energia parowania i Energia topnienia.
