1. TRANSFORMĂRI DE STARE
DE AGREGARE
• Topire – Solidificare
• Vaporizare – Condensare
• Sublimare – Desublimare
• Distilare
• Punctul triplu al apei
• Precipitaţii atmosferice
Prof. Ştefan Poncea,
Şc. “Episcop Dionisie Romano”, Buzău
Lecţie pentru cls. a VIII- a
2. TRANSFORMĂRI DE STARE DE AGREGARE
Substanţele sunt clasificate, după starea lor de agregare, în solide,
lichide şi gaze. În condiţii normale unele substanţe se găsesc în stare
solidă: fierul, plumbul, sticla etc, altele în stare lichidă: apa, alcoolul,
benzina, altele în stare gazoasă: aerul, oxigenul, metanul etc.
Dacă analizăm structurile interne ale stărilor şi mişcările moleculare ce au
loc în substanţe, constatăm că între diferite stări ale substanţei există
deosebiri, dar şi asemănări. În solide există o aşezare ordonată a atomilor în
structuri regulate pe întinderi mari, care sunt stabile în timp, la lichide atomii
prezintă structuri ordonate pe întinderi mici (ordine locală) şi pe durate scurte,
la gaze nu există nicio ordine. Din punct de vedere al mişcărilor moleculare,
la solide mişcarea este redusă la mici vibraţii, la lichide apar pe lângă vibraţii
şi mici mişcări de translaţie, iar la gaze predomină mişcările de translatie.
3. În anul 1869, fizicianul irlandez Thomas Andrews a reuşit, prin răcirea şi
comprimarea concomitentă a dioxidului de carbon, să-l transforme din stare gazoasă
în stare lichidă (lichefiere). El a efectuat o serie de comprimări izoterme ale dioxidului
de carbon şi a constatat că dacă temperatura gazului este mai mare decât 31˚C, gazul
respectă legea Boylle-Mariotte. Dacă temperatura gazului este mai mică de 31˚C, se
constată că prin comprimarea gazului, la un moment dat, încep să apară picături de
lichid, iar presiunea rămâne aproximativ constantă, deşi volumul se micşorează.
În procesele de transformări de
fază este importantă energia care se
schimbă prin absorbţie sau cedare de
căldură, pentru a modifica starea
cinetico-moleculară şi structura internă
a substanţei. În majoritatea cazurilor
energia pusă în joc este sub formă de
căldură.
Diagrama de fază presiune - températură a
dioxidului de carbon(punctul critic=31,1˚C)
Lichefierea dioxidului de carbon
4. TOPIREA ŞI SOLIDIFICAREA
Topirea este fenomenul de trecere a unui corp din faza solidă în
faza lichidă, iar solidificarea este transformarea inversă.
Distingem două tipuri de topire:
a) topirea corpurilor amorfe se produce printr-o înmuiere treptată a
b) corpului până se ajunge la faza lichidă: sticla, ceara, smoala etc.
b) topirea corpurilor cristaline (topirea neta) se produce prin trecerea bruscă
în faza lichidă la o temperatură bine precizată: metalele, gheaţa etc.
Topirea neta respectă urmatoarele legi:
a) la o presiune dată, topirea are loc întotdeauna la aceeaşi
temperatură, numită temperatură de topire(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.
5. d) 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 parafină
topită într-o eprubetă, 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)
e) Căldura primită de substanţă în timpul topirii are aceeaşi valoare cu
cea cedată de aceeaşi substanţă în timpul solidificării: Qt=Qs
Temperatura de topire poate fi modificată prin realizarea unor aliaje de
concentraţii bine definite, astfel, aliajul de plumb şi cositor are
temperatura de topire mai mică decât a fiecărui metal.
6. VAPORIZAREA ŞI CONDENSAREA
Fenomenul prin care o substanţă lichidă este
transformată în faza gazoasă se numeşte vaporizare.
Substanţa lichidă care a fost transformată în faza gazoasă
se prezinta sub denumirea de vapori. Procesul de trecere
a vaporilor în lichid se numeşte condensare, iar procesul
de transformare a unui gaz în lichid se numeşte lichefiere.
FIERBEREA
Fierberea este procesul de vaporizare în întreaga masă a lichidului,
vaporii se formeaza oriunde în interiorul lichidului.
Prin încălzirea treptată a apei din balonul de sticlă se pot observa
următoarele:
a) pe pereţii vasului apar mici bule de aer;
b) pe masură ce temperatura creşte, bulele se măresc, se desprind de
pereţi şi urcă spre suprafaţă; în straturile superioare unele bule se
micşorează şi dispar, producând un zgomot caracteristic - apa “cântă”;
c) la o anumită temperatură (100˚C) bulele ajung la suprafaţa lichidului şi
din acest moment temperatura ramâne constantă (a început fierberea).
7. Explicaţia acestor observaţii se face astfel: în bulele de aer pătrund
vapori de lichid a căror cantitate se măreşte pe măsură ce creşte
temperatura, mărind astfel volumul bulelor ce se ridică spre suprafaţă.
În straturile superioare temperatura lichidului fiind mai mică determină
condensarea vaporilor, fenomen urmat de creşterea temperaturii
lichidului. Când lichidul se omogenizează termic, bulele nu se mai
"sparg" în interior, ajung la suprafaţă şi se declanşează fierberea
propriu-zisă. Din acest moment temperatura nu mai creşte deoarece
întreaga căldură primită de lichid este utilizată pentru vaporizare:
Explicarea fierberii
8. Temperatura de fierbere depinde de
substanţa care se vaporizează, dar care
poate fi influenţată de presiunea vaporilor.
Astfel, la presiuni mari apa nu fierbe decât
la temperaturi ce pot depăşi 300˚C, fiind
utilizată la sterilizarea umedă a ustensilelor
medicale (autoclave). Dacă presiunea
vaporilor este redusă mult, temperatura de
fierbere are valoare foarte coborâtă putând
ajunge la situaţia în care apa îngheaţă în
timp ce fierbe.
Această proprietate este utilizată la fierberea forţată la temperaturi mici
a unor substanţe care s-ar descompune la temperatură normală de fierbere.
Faptul că fiecare lichid are o temperatură specifică de fierbere şi că în timpul
fierberii temperatura lichidului nu creşte, este utilizat la distilarea fraţionată a
unui amestec de lichide: distilarea alcoolului, distilarea petrolului etc.
Autoclavă utilizată pentru sterilizarea
instrumentarului medical
Presiunea influienţează punctul de
fierbere al substanţelor
9. EVAPORAREA
Fenomenul prin care se realizează vaporizarea numai la suprafaţa liberă a
lichidului se numeşte evaporare. Este cunoscut că dacă se lasă o farfurie cu
apă, la temperatura normală, după un timp apa dispare din farfurie.
Condiţiile care trebuie îndeplinite pentru a se produce evaporarea sunt:
-mediul ambiant să nu fie saturat cu vaporii lichidului, presiunea vaporilor
existenti p să fie mai mică decât presiunea de saturaţie pm, la acea
temperaturî;
-presiunea atmosferică H să fie mai mare decât presiunea de
saturatie (H>pm).
Întrucât lichidul se poate evapora mai repede sau mai încet, se
defineşte viteza de evaporare ca fiind egală cu masa de lichid
ce se evaporă în unitatea de timp:
Viteza de evaporare depinde de următoarele mărimi:
-este proporţională cu aria suprafeţei libere a lichidului;
-este proporţională cu diferenţa presiunilor pm-p ;
-este invers proporţională cu presiunea atmosferic H de deasupra lichidului.
unde K este o constantă care depinde de unităţile de măsură alese.
10. Este evident că viteza de evaporare depinde de natura lichidului care
se vaporizează, dar acest lucru este inclus în presiunea pm a vaporilor
saturanţi. Deasemenea, viteza de evaporare depinde şi de viteza aerului
de deasupra lichidului, dar aceasta este inclusa în diferenta (pm-p),
deoarece dacă există o buna circulaţie a aerului se micşorează cantitatea
de vapori de deasupra lichidului.
Se ştie că rufele se usucă mult mai repede când bate vântul, decât atunci
când nu bate. Când este ger rufele se usucă repede deoarece cantitatea
de vapori din atmosferă este mică.
Harta
radiaţiei
solare la
nivelul
terestru
11. Starea triplă
Echilibrul fazelor se stabileşte când două faze ale aceleiaşi
substante, aflate în contact, în aceleaşi condiţii de presiune şi
temperatură, masa fiecărei faze rămânând constantă. Dependenţa
dintre presiune şi temperatură pentru curbele de-a lungul cărora se
realizează echilibrul a două faze se numesc diagrame de stare.
Pentru diagrama de fază lichid-vapori este specifică stării critice
peste care nu este posibilă starea de echilibru dintre faza lichiddă şi
cea gazoasă.
Procesul de trecere a substanţelor din faza solidă direct în faza
gazoasă se numeşte sublimare, iar căldura latentă este egală cu
suma dintre căldura latentă de topire şi căldura latentă de
vaporizare.
În planul p-T există un singur punct care reprezintă starea unică
în care se află, în echilibru, toate cele trei faze ale unei substanţe,
solidă, lichidă şi gazoasă - acest punct reprezintă starea triplă a
substanţei respective.
12. Pentru fiecare substanţă există o singură pereche de valori
presiune−temperatură la care solidul, lichidul şi vaporii săi pot
coexista în echilibru: punctul triplu.
14. Celulă pentru realizarea condiţiilor
punctului triplu al apei
Câtă vreme există în termos apă,
gheaţă şi vapori, temperatura
acestuia este cu siguranţă 0,01°C.
Un termometru poate fi etalonat
foarte preces introducându−l
într−un astfel de termos
15. Sublimarea şi desublimarea
Urmăriţi ca temperatura apei
să nu depăşească 75°C,
menţinând astfel naftalina
solidă. Observaţi ce se
întâmplă în interiorul paharului
care acoperă naftalina.
16. Pentru a se desprinde din solid, o moleculă trebuie să
primească suficientă energie: pentru desprinderea moleculei
din legăturile stării solide (ca în cazul topirii) şi pentru
eliberarea completă a moleculei (ca în cazul vaporizării)
Sublimarea are loc cu absorbţie de căldură (căldura latentă
de sublimare), egală cu suma căldurilor latente de topire şi
vaporizare.
La revenirea moleculelor în solid, forţele de atracţie
intermoleculare efectuează lucru mecanic − se eliberează
energie.
Toate substanţele solide sublimează. În cazul celor cu miros
puternic, sublimarea este evidentă la presiune normală şi
temperaturi obişnuite. La altele, sublimarea este mai lentă.
Mărind temperatura solidului, agitaţia termică devine mai
intensă. Tot mai multe molecule vor părăsi solidul în fiecare
secundă: viteza de sublimare creşte.
Explicarea sublimării
17. Distilarea
Distilarea este procesul de trecere a unui amestec
lichid în stare de vapori prin fierbere urmată de
condensarea vaporilor formați.
Distilarea este un procedeu fizic de purificare, ce se
produce în 2 etape:
etapa I: trecerea din stare lichidă în stare gazoasă;
etapa II: trecerea din stare gazoasă în stare lichidă.
Distilarea este folosită în special pentru a separa un
component lichid dintr-un amestec de lichide cu
puncte de fierbere diferite.
Separarea şi purificarea lichidelor prin distilare se bazează pe diferenţa
de volatiliate a diferitelor lichide dintr-un amestec şi pe faptul că in timpul
distilării unei substaţe pure, temperatura de distilare rămâne constantă,
dacă presiunea nu variază. Eficacitatea unei distilări depinde de o serie
de factori care pot fi: diferenţa presiunii vaporilor componentelor
amestecului lichid, volumul probei de distilare, aparatul folosit, precum şi
posibilitatea de formare a unor amestecuri azeotrope.
19. PRECIPITAŢIILE ATMOSFERICE
Nori Cumulus humilis în prim-plan şi
Cumulonimbus în fundal
Soarele este principala cauză a
dinamicii termice a atmosferei ce
asigură circuitul apei în natură. →
21. Picături de
rouă(stânga)
şi de
ploaie(dreapta)
PRECIPITAŢIILE ATMOSFERICE
Precipitaţiile iau naştere când picăturile ce formează norii ating
diametrul de 0,1mm, fiind capabile astfel să scape de influienţa
curenţilor ascendenţi. Creşterea dimensiunii particulelor se face
fie prin transformarea picăturilor existente în nuclee de
condensare, fie pe baza sarcinilor electrice ale picăturilor de apă.
23. 1. În funcţie de mărimea picăturilor şi viteza de cădere:
- precipitaţii cu caracter general (ploi şi ninsori obişnuite, cu căderi
uniforme şi continue);
- averse (de ploaie, zăpadă, lapoviţă) – cu picături mari şi cu variaţii
de intensitate şi de viteză;
- burniţe – numai precipitaţii lichide cu picături foarte mici.
2. După compoziţie:
- lichide – ploaia, aversa de ploaie şi burniţa;
- solide – ninsoarea, aversa de zăpadă, lapoviţa, aversa de lapoviţă,
acele de gheaţă, grindina (se formeaza în norii cumulonimbus).
3. După geneză:
- ploi convective – sub formă de averse (se formează la Ecuator
în fiecare zi şi la latitudini medii numai vara);
- ploi frontale – cele care însoţesc fronturile atmosferice (sunt
caracteristice depresiunilor extratropicale);
- ploi musonice – caracteristice musonului de vară (cad timp de
6 luni şi in cantitati foarte mari);
- ploi ciclonice – cele care însoţesc ciclonii tropicali.
Clasificarea precipitaţiilor
24. Precipitaţii orizontale:
- roua – se formează în nopţile de
vară când peste suprafaţa răcita a
Pământului se deplasează o masă
umedă de aer. Condiţia ca să se
formeze roua este să fie cald şi să
nu bată deloc vântul;
- bruma – se realizează în aceleaşi
condiţii ca şi roua, dar temperatura
aerului şi a suprafeţei trebuie să fie
negativă(sub 0˚C)
- chiciura (promoroaca) – este
rezultatul îngheţării picăturilor de
apă ce formează ceaţa.
Fantastica geometrie a fulgilor de
nea… şi o grindină de 6 cm(jos)
25. Ceaţa este tot o precipitaţie orizontală
– un complex de picături fine de apă,
rezultat al condensării vaporilor în
apropierea suprafeţei terestre. Prezenţa
ceţii reduce vizibilitatea sub 1 km.
Condiţiile de formare a ceţii sunt:
saturaţia aerului cu vapori de apă şi
scăderea temperaturii până la atingerea
punctului de rouă. Saturaţia se poate
produce prin evaporare sau prin răcirea
aerului. O influenţă deosebită o are şi
vântul cu viteze de până la 2 – 3 m/s,
care determină creşterea vitezei de
evaporare.
Dimensiunea picăturilor de apă este
de la caţiva microni la 60 microni. La
temperaturi pozitive, diametrul este între
10 – 30 microni, iar la temperaturi
negative, sub 10 microni.
În funcţie de vizibilitatea orizontală se
stabilesc patru tipuri de ceaţă:
- ceaţă slaba – cu vizibilitate cuprinsă
între 500 şi 1000 de metri;
- ceaţă moderată – cu vizibilitate
cuprinsă între 200 şi 500 de metri;
- ceaţă densă – cu vizibilitate cuprinsă
între 50 şi 200 de metri;
- ceaţă foarte densă – cu vizibilitate mai
mică de 50 de metri.
La ceaţa slabă, într-un cm3 de aer sunt
10 picături de apă, pe când la ceaţa
foarte densă sunt până la 50 de picături
de apă.
CEAŢA
26. Ceaţă acoperind pe
înserat Tower Bridge
(Podul Turnului) din
Londra
Ceața este un fenomen meteorologic formată dintr-o
aglomerație de particule de apă aflate în suspensie în
atmosferă în apropierea suprafaței solului, care reduce
vizibilitatea orizontală sub 1.000 de metri.
27. La o temperatură dată, cantitatea de vapori de apă din aer se poate mări
substanțial (de exemplu, în urma evaporării intense a apei din sol), până
când vaporii devin saturați. De cele mai multe ori, vaporii de apă nu ating
punctul de saturație doar datorită evaporării și/sau condensării, dar pot
deveni saturați prin răcire, dacă temperatura aerului coboară mai jos de
așa-numitul "punct de rouă", care este temperatura la care vaporii de apă
din aer, aflați la o presiune constantă, devin saturați și încep să apară
primele picături de lichid. În această stare, din cauza suprasaturării, vaporii
nu mai pot să se afle numai în stare gazoasă și încep să se condenseze în
mici picături de apă care, fiind în suspensie în diferite straturi de aer aflate
deasupra suprafaței solului, micșorează transparența aerului, provocând
fenomenul căruia i se spune ceață.
Când vizibiltatea orizontală este cuprinsă între 1.000 m și 5.000 m avem
de-a face cu fenomenul numit negură sau pâclă .
Mecanismul formării ceţii
28. Uneori particulele de apă din aerul de
la suprafața solului refractă astfel lumina,
încât aceasta apare opalescentă,
lăptoasă.
Ceața este mai frecventă toamna și
primăvara, când temperaturile sunt mai
scăzute și vaporii ating starea de
saturație la o cantitate mult mai mică în
unitatea de volum decât în timpul verii.
Ceața se formează îndeosebi dimineața
și seara.
Ceața se formează mai frecvent în văi
unde temperatura este mai scăzută și
umiditatea este mai mare. Practic, ceața
este un nor aflat în contact cu solul.
Ceața se distinge față de nori numai
datorită faptului că norul nu atinge
suprafața pământului. Același nor,
considerat astfel de la altitudini joase,
poate deveni ceață la altitudini mai
înalte, de exemplu pe vârful unor dealuri
sau munți.
Condițiile de formare a ceții sunt
strâns legate de existența
concomitentă a umidității de la sol
(între 90-100%), un vânt în general
calm sau cu viteză de până la 3 m/s
și a unei inversiuni termice
(creșterea cu înalțimea a
temperaturii aerului) la sol. Din
punct de vedere al cauzei formării
ceții pot fi distinse cauze termice și
cauze dinamice. Astfel, răcirea
radiativă produsă în timpul nopții
poate fi enumerată ca principală
cauză termică, iar advecția termică
(deplasarea unei mase de aer cu o
anumită temperatură peste o masă
de aer cu temperatură diferită), ca
principală cauză dinamică.
29. Transformări de stare ale apei la scara planetară
Aerul de la suprafaţa solului încărcat cu vapori de apă este
antrenat prin mişcări ascendente spre păturile mai înalte ale
oceanului aerian, unde presinea atmosferică este mai scăzută.
Datorită acestui fapt moleculele de aer vor suferi un proces de
destindere, ceea ce va determina implicit o scădere a temperaturii,
chiar dacă nu se pierde energia termica.Treptat,vaporii de apă vor
atinge în acest fel starea de saturaţie şi vor condensa sau vor
sublima dând naştere norilor.
Mecanismul de formare a norilor este mai complex şi nu se reduce
numai la procesul de convecţie termica descris. Adesea puternice
sisteme noroase se pot dezvolta în momentul când aerul rece
pătrunzând sub o masă de aer cald, o forţează să se ridice brusc. Şi
în acest caz se va produce o destindere a moleculelor de aer, o
răcire şi deci un proces de condensare sau sublimare, din care vor
rezulta nori cu o mare dezvoltare pe verticală. De data asta norii
formaţi se datoresc convecţiei dinamice.
NORII
30. Aspectul att de variat al norilor a trezit
interesul oamenilor de ştiinţă, dar abia pe la
începutul sec. al XIX-lea au fost stabilite primele
criterii de clasificare a lor.
Astfel, în 1802, celebrul naturalist francez Jean-
Baptiste de Monnet-Lamark(1744-1829) publica
în Anuarul Meteorologig al Franţei o primă
clasificare a norilor, împărţindu-i în cinci grupe,
după forma şi înălţimea lor. În 1803, farmacistul
englez Lucke Howard(1772-1864) stabileşte un
criteriu de clasificare şi mai reprezentativ, legând
forma şi dimensiunile norilor de declanşarea
precipitaţiilor atmosferice. El adoptă pentru prima
dată denumirile latine, devenite apoi
internaţionale: Cirrus, Stratus, Cumulus,
Cirrocumulus, Cirrostratus, Nimbus etc.
Denumirile norilor
31. Clasificarea norilor
A. După formă:
tipul cumulus: nori sub formă de grămezi izolate, bine individualizate,
cu sau fără contur precis;
tipul stratus: nori cu aspect de pânză continuă;
tipul stratocumulus: grămezi compacte, sudate cu aspect de valuri.
B. După înălțime:
norii superiori: cirrus, cirrostratus, cirrocumulus(plafon 5 - 10 km,12-13
când e furtună);
norii mijlocii; altostratus, altocumulus(plafon 2 - 5 km);
norii inferiori: stratocumulus, stratus, nimbostratus(plafon 0 - 2 km);
norii de convecție verticală.
