Vybrané kapitoly ze středoškolské fyziky - Pro přípravný kurz k přijímacím zkouškám z fyziky na DFJP Univerzity Pardubice - Základy termiky a termodynamiky

→ var − je zvláštním případem vypařování, kdy ke změně skupenství kapalného v plynné dochází v celém objemu kapaliny; vypařování přechází ve var při dosažení určité teploty nazývané teplota varu tv - tato hodnota je pro určitou látku typická, je však silně závislá na vnějším (okolním) tlaku;

→ kapalnění, kondenzace − je pak zase změnou opačnou, kdy dochází k přeměně skupenství plynného v kapalné;

→ sublimace − je přímou přeměnou látky ze skupenství pevného v plynné (za běžného atmosférického tlaku nastává např. u jódu, ale i u ledu, sněhu a u řady dalších látek);

→ desublimace − je opačnou změnou k sublimaci - látka přechází přímo ze skupenství plynného ve skupenství pevné.

Na přeměnu látky z jednoho skupenství do druhého je potřebné určité (a ne zrovna malé) teplo, jež daná látka buď přijme, nebo odevzdá. Toto teplo se nazývá skupenské teplo (značí se písmenem L) a podle typu změny skupenství rozlišujeme skupenské teplo tání, tuhnutí, vypařování, varu, kondenzace, sublimace a desublimace.

Skupenské teplo u dané (homogenní) látky závisí na její hmotnosti m, čím větší hmotnost látky mění své skupenství, tím větší skupenské teplo L je potřebné (resp. se naopak vydá) při změně skupenství. Proto zavádíme fyzikální veličinu nazvanou měrné skupenské teplo definovanou vztahem

l = , (5.7)

jejíž jednotkou je J.kg-1. Představuje vlastně číselnou hodnotu tepla, jež potřebuje (anebo vydá) právě 1 kg dané látky při změně svého skupenství. Hodnoty měrných skupenských tepel různých materiálů bývají tabelovány.

Z definice měrného skupenského tepla pak vyplývá, že skupenské teplo L, jež látka přjme (resp. odevzdá) při změně skupenství, je naopak dáno vztahem

L = m . l . (5.8)

Příklady:

1. Jakého tepla je třeba k tomu, aby roztálo 5,4 kg ledu teploty −15 oC ? Měrná tepelná kapacita ledu je 2 100 J.kg-1.K-1, měrné skupenské teplo tání ledu 3,3.105 J.kg-1.

Nejprve je třeba zvýšit teplotu ledu (tedy „ohřát“ led) na jeho teplotu tání tt = 0 oC . Musíme mu na to dodat teplo

Q1 = m.c.(tt - t1) , a teprve potom nastane změna skupenství (tání), jež vyžaduje skupenské teplo

L = m.l .

Tudíž celková potřeba tepla Q činí v našem případě

Q = Q1 + L = m.c.(tt - t1) + m.l = 5,4 kg . 2 100 J.kg-1.K-1. 15 K + 5,4 kg . 3,3.105 J.kg-1 =

= 170 100 J + 1 782 000 J = 1,952 MJ

Celkové teplo potřebné v našem příkladě je téměř 2 MJ; povšimněte si, že více než 90 % (přesněji 91,3 %) z této hodnoty připadá na samotnou změnu skupenství a zbytek na „ohřev“ ledu z −15 oC na jeho teplotu tání.

2. Do 10 l vody 60 oC teplé dáme 2 kg ledu teploty 0 oC. Jaká bude výsledná teplota po skončení tepelné výměny?

Pro výpočet použijeme kalorimetrické rovnice, ale její tvar musíme trochu upravit, neboť je třeba zahrnout do ni i skupenské teplo. Vzhledem k tomu, že dochází k různým fyzikálním dějům, (ohřívání a ochlazování látek, změna skupenství), je třeba provést nejprve určitý rozbor úlohy, a pak teprve zformulovat příslušnou rovnici..