Schimbarea starii de agregare a corpurilor: Topirea si vaporizarea, Lichefierea si solidificarea

Schimbarea starii de agregare a corpurilor

1. Topirea si vaporizarea

In natura corpurile se pot gasi in stare solida, lichida sau gazoasa, in functie de temperatura. In prezent se considera ca materia poate avea si o a patra stare de agregare - plasma - dar implicatiile fizice ale acestui fenomen depasesc limitele lucrarii de fata.

Starea solida defineste corpurile care prezinta rigiditate mare si rezistenta la actiunea unor forte externe. Coeziunea intre moleculele corpurilor solide este puternica, acestea avand doar o miscare de vibratie in jurul unei pozitii de echilibru. Corpurile solide se caracterizeaza prin volum si forma determinata.

Spre deosebire de acestea, lichidele nu au rigiditate si se deformeaza cu usurinta sub actiunea unor forte exterioare. Ele curg sau iau forma recipientului in care sunt turnate. Desi isi mentin volum constant, nu au forma proprie, fapt care dovedeste existenta unor forte de coeziune mai reduse decat la solide.

Daca fortele de coeziune scad sub anumite limite atunci corpul nu-si mai pastreaza nici forma, nici volumul si trece in stare gazoasa. Din cauza fortelor de coeziune foarte reduse gazele nu au forma si volum propriu, ele putand ocupa intregul volum care il au la dispozitie.

Cunoasterea caracteristicilor celor trei stari de agregare ale corpurilor este necesara in activitatea pompierilor, indeosebi pentru aprecierea pericolului de incendiu in diverse situatii si pentru adoptarea unor masuri corespunzatoare de prevenire si stingere.

Deosebit de importanta este cunoasterea fenomenelor de trecere dintr-o stare fizica in alta, adica transformarile de stare. Pentru exeplificarea legilor care guverneaza transformarile de stare se poate urmari comportarea apei, sub cele trei forme de agregare: solida (gheata), lichida (apa) si gazoasa (vapori de apa, aburi).

Se considera un vas cu bucatele de gheata supus incalzirii la o flacara. Un termometru introdus in vas indica o crestere lenta a temperaturii ghetii pana se atinge valoarea 0sC. Apoi se constata ca desi gheata continua sa primeasca aceeasi cantitate de caldura in unitate de timp, termometrul nu inregistreaza modificari ale temperaturii. Urmarind cu atentie comportarea ghetii se observa ca incepe sa se topeasca, transformandu-se in apa.

Experimental s-a stabilit ca, in conditii de presiune constanta, este necesara o cantitate determinata de caldura pentru a topi o unitate de masa dintr-un corp solid. Aceasta caldura se numeste caldura latenta de topire si se noteaza cu q_topire.

Dupa topirea ultimei bucati de gheata, cand in vas se gaseste numai apa, termometrul incepe sa indice din nou o crestere lenta a temperaturii, proportionala cu cantitatea de caldura primita.

La 100sC se inregistreaza un alt prag in variatia temperaturii apei. Lichidul fierbe si incepe sa se transforme in vapori. Vaporizarea - trecerea din stare lichida in stare gazoasa - se poate face in mod lent, numai la suprafata lichidului, rapid si cu zgomot (fierbere).

Procesul de vaporizare prezinta anumite similitudini cu procesul de topire:

- In timpul transformarii temperatura se mentine constanta.

- Ca si la topire este necesara o cantitate determinata de caldura pentru a realiza transformarea de stare.

Cantitatea de caldura primita de un lichid pentru a se vaporiza la temperatura si presiune constante se numeste caldura latenta de vaporizare. Daca aceasta marime se raporteaza la unitatea de masa a unei substante se obtine caldura specifica de vaporizare a substantei respective.

Din clipa cand intreaga masa a lichidului s-a transformat in vapori, temperatura acestora se modifica, in sensul unei cresteri proportionale cu cantitatea de caldura primita.

2. Legile transformarilor de stare a corpurilor

Analizand fenomenele de trecere a corpurilor dintr-o stare de agregare in alta se pot deduce legi care sunt valabila atat pentru topire cat si pentru vaporizare. Astfel:

- In cazul substantelor pure, la presiune constanta, transformarile de stare (topire si vaporizare) se produc la temperaturi bine determinate, constante si caracteristice fiecarei substante.

- Pentru a schimba starea de agregare a unitatii de masa dintr-o substanta sunt necesare cantitati determinate de caldura, denumite calduri latente specifice de transformare (topire, respectiv vaporizare).

Caldurile latente de transformare reprezinta cantitatile de energie necesare pentru invingerea fortelor de coeziune moleculara.

Fenomenele de modificare a starii de agregare constituie exemplificari ale legii generale a naturii privind transformarea acumularilor cantitative in salturi calitative.

Transformarile de stare sunt insotite de modificari ale unor caracteristici fizice ale substantelor. Prin topire, majoritatea corpurilor isi maresc volumul. Fac exceptie unele corpuri, printre care si gheata. Aceasta explica de ce gheata pluteste la suprafata apei (prin marirea volumului, densitatea scade) sau de ce crapa sticlele in care apa ingheata.

Fenomenul de marire al volumului este mult accentuat la trecerea din starea lichida in starea de vapori.

In acest caz apa isi mareste volumul de circa 1700 de ori, fapt deosebit de important pentru utilizarea apei atat ca agent de lucru in masinile termice cu aburi cat si ca agent de stingere a incendiilor.

In afara de efectul de racire accentuat, prin transformarea apei in vapori se realizeaza si un efect de inabusire a incendiului, vaporii de apa ocupand locul aerului care intretine arderea.

3. Cazuri particulare de transformare a starii de agregare

In general corpurile trec dintr-o stare de agregare in alta urmand desfasurarea fenomenelor descrise mai sus. Sunt totusi unele substante a caror comportare sub actiunea calduri prezinta anumite abateri. Astfel sunt corpuri care nu au o temperatura determinata de topire, ele trecand in mod treptat de la starea solida la cea lichida in cursul unui proces de inmuiere (ceara, untul s.a.). Scaderea vascozitatii este insotita de modificarea continua a temperaturii astfel ca nu se poate stabili un punct precis de transformare.

Alte substante sublimeaza, adica trec direct din stare solida in stare gazoasa; ele nu pot fi obtinute in stare lichida la presiunea atmosferica (ex. iodul, acidul benzoic, pentaclorura de fosfor, zapada carbonica, clorura de amoniu etc.).

Sunt corpuri care prin incalzire, in absenta oxigenului, se descompun (lemnul, hartia, albuminoidele) si dau nastere unor alte substante.

O comportare interesanta au, in cursul procesului de topire, aliajele, prin faptul ca temperatura de topire este mai scazuta decat cea a oricarui component. Astfel aliajul Wood, compus din cadmiu, staniu, plumb si bismut, se topeste la 66 - 71sC (in functie de compozitie), desi toate metalele componente au temperaturi de topire mai mari de 200sC. Aliajul Lipowitz (plumb, staniu, cadmiu si bismut) se topeste la 60sC, iar aliajul Rose (bismut, staniu si plumb), se topeste la 95sC.

Fenomenele de topire a aliajelor sunt utilizate la constructia unor detectoare de incendiu, a unor tipuri de sprinklere sau a unor dispozitive de inchidere automata a usilor si perdelelor antifoc.

Si in cazul vaporizarii se inregistreaza fenomene care retin atentia. Astfel, in cazul unui ameste de doua sau mai multe lichide pure, punctul de fierbere nu mai are o valoare unic determinata ci exista mai multe praguri de temperatura la care se produce, treptat, vaporizarea lichidelor componente. Fenomenul isi gaseste aplicatii pe scara larga in industria chimica la distilarea fractionata a unor amestecuri (spre exemplu la distilarea petrolului). La inceput se vaporizeaza lichidul care fierbe la temperatura scazuta apoi ceilalti componenti, pe masura ce se atinge punctul de fierbere caracteristic fiecaruia.

Punctul de fierbere este variabil si in functie de presiunea la suprafata lichidului. Daca acesta presiune scade punctul de fierbere si coboara invers. Intr-un cazan de aburi, de exemplu, presiunea este mai mare decat cea normala, punctul de fierbere fiind situat in acest caz deasupra temperaturii de 100sC.

4. Lichefierea si solidificarea

Pana in prezent a fost analizata comportarea corpurilor sub efectul cresterii temperaturii, respectiv topirea si vaporizarea. In natura se intalnesc insa si procese de transformare inversa, adica de trecere din stare gazoasa in stare lichida (lichefiere) sau din stare lichida in stare solida (solidificare).

In cursul lichefierii, corpul care se transforma cedeaza o cantitate de caldura egala cu cea absorbita la vaporizare, cu alte cuvinte caldura latenta de lichefiere este egala cu caldura latenta de vaporizare.

q_lichefiere = q_vaporizare

Aceeasi egalitate exista si intre caldura latenta de topire si cea de solidificare a unei substante.

q_topire = q_solidificare

Ca si topirea si vaporizarea, solidificarea si lichefierea corpurilor pure sunt procese care se desfasoara la temperaturi constante. Curba de variatie a temperaturii unui corp in cazul racirii este simetrica cu cea de la incalzire.

Topirea si solidificarea pe de o parte, vaporizarea si lichefierea pe de alta parte, sunt fenomene inverse care se anihileaza reciproc.

5. Simboluri, formule, unitati de masura

Caldurile latente de transformare se noteaza cu q. Fiecare substanta va avea deci doua valori distincte pentru calduri latente specifice de transformare: q_t - pentru caldura latenta de topire si solidificare - si - pentru caldura latenta de vaporizare sau lichefiere.

Unitatea de masura pentru caldura latenta specifica in sistemul international este joule/kg si reprezinta caldura latenta specifica a acelei substante care pentru a trece dintr-o stare de agregare in alta, la temperatura si presiune constante, are nevoie de o cantitate de energie de un joule pentru fiecare kilogram.

Daca se foloseste unitatea toleranta pentru cantitatea de caldura - caloria - atunci caldura latenta de transformare a unei substante reprezinta numarul de calorii necesare pentru trecerea unui gram de substanta dintr-o stare de agregare in alta.

Intre cele doua unitati de masura exista relatia:

1 _J_ = __1__ cal

kg 4185,5 g

Cantitatea de caldura primita de un corp cu masa m in cursul procesului de topire - sau cedata in cursul solidificarii va fi deci:

Q_topire = m ∙ q_t

Similar, in cazul vaporizarii va fi:

Q_vaporizare = m ∙ q_v

Asa cum s-a subliniat mai sus, daca presiunea se mentine constanta, transformarile de stare au loc la temperaturi bine determinate, dependente de natura substantelor respecitve. In caz contrar, temperatura de transformare (topire sau vaporizare) variaza in functie de presiunea atmosferica la care are loc fenomenul. Se considera temperaturi normale de transformare sau puncte de transformare, valorile stabilite la o presiune de 760 mm Hg.

In tabela 6 sunt date valorile temperaturilor normale de topire a unor substante.

Tabela 6

Temperaturi de topire a corpurilor

* Aliaje eutectice utilizare la constructia detectoarelor de incendiu.

Compozitia lor in parti de greutate:

- Aliajul Darcet: 50 Bi + 25 Sn + 25 Pb + 25 Hg

- Aliajul Lipowitz: 50 Bi + 26,7 Pb + 13,3 Sn + 10 Cd

- Aliajul Wood: 50,1 Bi + 24,9 Pb + 14,2 Sn + 10 Cd

- Aliajul Rose: 2 Bi + 1 Sn + 1 Pb

6. Aplicatii in protectia contra incendiilor

Urmarirea fenomenelor de topire a corpurilor in cazul cercetarii unui incendiu poate furniza informatii interesante asupra desfasurarii acestuia, in mod special in privinta temperaturilor atinse in cursul procesului de ardere. Spre exemplu, daca intr-un laborator fotografic in care a izbucnit un incendiu se gaseste un recipient cu bromura de argint care a fost topita, se poate trage concluzia ca in cursul incendiului a fost depasita temperatura de 434sC (temperatura de topire a bromurii de argint).

Alteori, urmele de corpuri topite pot da indicatii pretioase asupra cauzei incendiului. La un incendiu la care s-au gasit urme de cupru topit rezultat de la un conductor electric, (temperatura de topire a cuprului 1083sC) alaturi de un conductor electric de aluminiu ramas intact (temperatura de topire circa 640sC) s-a putut preciza ca temperatura degajata de incendiu nu a depasit 640sC, topirea conductorului de cupru fiind produsa de un scurtcircuit care a declansat si incendiul. O analiza atenta a locului incendiului imbinata cu o serie de cunostinte de specialitate constituie premiza acestei cercetari temeinice a unui incendiu si asigura succesul acestei actiuni.

Procesul de vaporizare prezinta de asemenea aspecte interesante pentru activitatea pompierilor.

Retine atentia cifra care reprezinta caldura latenta de vaporizare a apei: 538,7 cal/g. Caldura de vaporizare ridicata, care caracterizeaza apa, explica marea sa eficacitate ca agent stingator. Pentru a transforma un gram de apa, de la temperatura normala (15sC) in vapori, este nevoie de 85 de calorii (pentru a aduce apa la temperatura de 100sC) plus 538,7 cal pentru a transforma apa cu temperatura de 100sC in vapori la 100sC. Deci fiecare gram de apa de 15sC transformata in vapori de apa preia de la sursa calda 85 + 538,7 = 623,7 cal. Efectul de racire este considerabil mai mare decat al oricarui alt lichid uzual. Aceasta situatie justifica recomandarile de a se utiliza apa pulverizata la stingerea incendiilor. Fiind dispersata in particule foarte mici, apa se vaporizeaza mai usor si in cantitate mai mare atunci cand intra in contact cu gazele calde produse de focarul de incendiu. Cu cat mai multe picaturi de apa se transforma in vapori cu atat efectul de racire este mai accentuat.

Datorita valorilor mari ale caldurii specifice si ale caldurilor latente, de topire si vaporizare, apa absoarbe o cantitate de caldura mult mai mare decat orice alt corp obisnuit.