Фазни Прелази

Најважније из лекције

Фазни прелази: Топљење ($\text{ч} \to \text{т}$), Очвршћавање ($\text{т} \to \text{ч}$), Испаравање ($\text{т} \to \text{г}$), Кондензација ($\text{г} \to \text{т}$), Сублимација ($\text{ч} \to \text{г}$), Десублимација ($\text{г} \to \text{ч}$).
Засићена пара: Пара у динамичкој равнотежи са течношћу; њен притисак зависи само од температуре и врсте супстанце.
Услов кључања: $ p_{\text{зас. паре}}(T) = p_{\text{спољашњи}} $. Већи притисак $\implies$ виша тачка кључања.
Влажност: Апсолутна $ \rho_a = \frac{m}{V} $; Релативна $ \varphi = \frac{\rho_a}{\rho_z} \cdot 100\% $.
Фазни $ p-T $ дијаграм:

Тројна тачка: Равнотежа све 3 фазе истовремено.
Критична тачка: Изнад $ T_k $ гас се не може утечнити притиском; густине течности и паре су једнаке.

Енергија: Током фазног прелаза $ T = \text{const} $; разменјена топлота мења потенцијалну енергију молекулских веза, а не кинетичку енергију кретања честица.

Фаза је скуп свих хомогених делова термодинамичког система који имају идентичне физичке особине и јединствену унутрашњу микроскопску структуру.

Фазни прелаз је термодинамички процес којим систем прелази из једне фазе (или агрегатног стања) у другу.

Брзина фазног прелаза представља масу супстанце која промени фазу у јединици времена: \[ v = \frac{\Delta m}{\Delta t} \]

Почетно стање	Крајње стање	Назив фазног прелаза	Супротан процес
Чврсто	Течно	Топљење	Очвршћавање (кристализација)
Течно	Гасовито	Испаравање	Кондензација
Чврсто	Гасовито	Сублимација	Десублимација

Суви лед (чврсти $ \text{CO}_2 $) на собној температури директно прелази у гас без преласка у течност (сублимација). Формирање мраза и иња из водене паре током хладних ноћи представља десублимацију.

Који се фазни прелаз одвија при сушењу мокрог веша на температури испод $ 0\,^\circ\text{C} $?

Вода у мокром вешу се најпре замрзне у лед, а затим лед директно испарава у ваздух без претходног топљења. Тај процес се назива сублимација.

Засићена пара је пара која се налази у динамичкој термодинамичкој равнотежи са сопственом течношћу (број молекула који испаре у јединици времена једнак је броју молекула који се кондензују).

Притисак засићене паре зависи искључиво од врсте течности и њене температуре. Не зависи од запремине суда нити од присутности других гасова. Са порастом температуре, притисак засићене паре расте.

Кључање је интензиван процес испаравања који се одвија унутар целокупне запремине течности формирањем мехура паре.

Кључање наступа на температури на којој се притисак засићене паре течности изједначи са спољашњим притиском изнад течности.

Пошто тачка кључања зависи од спољашњег притиска:

При повишеном притиску (нпр. у експрес лонцу), тачка кључања воде расте изнад $ 100\,^\circ\text{C} $, што омогућава брже кување.
При сниженом притиску (нпр. на високим планинама), тачка кључања воде опада испод $ 100\,^\circ\text{C} $.

Зашто се вода у затвореном експрес лонцу може загрејати на температуру од $ 120\,^\circ\text{C} $ без претходног прокључавања?

Водена пара која се ствара у затвореном суду ствара веома висок притисак изнад површине воде. Да би вода прокључала, притисак њене засићене паре мора достићи тај повишени спољашњи притисак, што се дешава тек на знатно вишој температури (око $ 120\,^\circ\text{C} $).

Апсолутна влажност ваздуха ($ \rho_a $) представља масу водене паре у јединици запремине ваздуха (густина водене паре):

\[ \rho_a = \frac{m_{\text{паре}}}{V} \quad \left[\frac{\text{kg}}{\text{m}^3}\right] \]

Релативна влажност ваздуха ($ \varphi $) је проценат засићења ваздуха воденом паром на датој температури:

\[ \varphi = \frac{\rho_a}{\rho_z} \cdot 100\% \] где је $ \rho_a $ апсолутна влажност (тренутна густина паре), а $ \rho_z $ густина засићене водене паре на тој истој температури.

Ако се ваздух са одређеном количином паре хлади, вредност $ \rho_z $ опада, па релативна влажност расте. Када $ \varphi $ достигне $ 100\% $, долази до кондензације (формира се роса или магла).

Ако је густина водене паре у просторији $ 9{,}4\,\text{g/m}^3 $, а густина засићене паре на тој температури $ 17{,}3\,\text{g/m}^3 $, колика је релативна влажност?

\[ \varphi = \frac{\rho_a}{\rho_z} \cdot 100\% = \frac{9{,}4}{17{,}3} \cdot 100\% \approx 54{,}3\% \]

Стања термодинамичке равнотеже различитих фаза графички се приказују у $ p-T $ координатном систему помоћу три граничне криве:

Крива сублимације: раздваја чврсту и гасовиту фазу.
Крива топљења: раздваја чврсту и течну фазу.
Крива испаравања (кључања): раздваја течну и гасовиту фазу.

$Фазни $ p-T $ дијаграм. Прикажите координатни систем са хоризонталном осом Температуре $ T $ и вертикалном осом Притиска $ p $, обе полазећи из доњег левог угла као координатног почетка. Дијаграм садржи три граничне, глатке и закривљене линије које се секу у једној тачки: 1. **Крива сублимације**: Полази из тројне тачке према доле и лево, раздвајајући област чврстог стања (горе лево) од области гасовитог стања (доле лево). 2. **Крива топљења**: Полази из тројне тачке према горе и десно са благим позитивним нагибом, раздвајајући област чврстог стања (лево од криве) од области течног стања (десно од криве). 3. **Крива испаравања**: Полази из тројне тачке према горе и десно, закривљена је и завршава се у критичној тачки, раздвајајући област течног стања (лево од криве) од области гасовитог стања (десно од криве). Јасно обележите: * **Тројна тачка**: Тачка пресека све три криве. * **Критична тачка**: Горња десна крајња тачка криве испаравања. Обележите три главне области дијаграма: * '**Чврсто стање**' у области са високим притисцима и ниским температурама (лево од криве топљења и изнад криве сублимације). * '**Течно стање**' у области средњих притисака и температура (између криве топљења и криве испаравања). * '**Гасовито стање**' у области ниских притисака и високих температура (испод криве испаравања и десно од криве сублимације). * (Опционо) 'Суперкритични флуид' у области изнад критичне тачке и десно од продужетка криве испаравања.$

Тројна тачка је тачка у којој се све три криве секу; у њој су сва три агрегатна стања (чврсто, течно и гасовито) у истовременој термодинамичкој равнотежи. За воду она износи $ T = 0{,}01\,^\circ\text{C} $ ($ 273{,}16\,\text{K} $) и $ p = 611\,\text{Pa} $.

Критична тачка представља завршетак криве испаравања. Одређена је критичном температуром ($ T_k $) и критичним притиском ($ p_k $).

Изнад критичне температуре супстанца се не може превести у течно стање ма колико се притисак повећавао. У критичној тачки густине течности и њене засићене паре постају потпуно једнаке, а међуповршинска напетост нестаје.

Код већине супстанци порастом притиска температура топљења расте (крива топљења је нагнута удесно). Код воде је супротно: лед се при топљењу скупља (гушћи је у течном стању), па са порастом притиска температура топљења опада (крива топљења је благо нагнута улево). Ова појава омогућава регелацију леда и клизање.

Током одвијања фазног прелаза чисте супстанце, температура остаје константна све док целокупна количина супстанце не пређе из једне фазе у другу.

Топлота која се доводи телу при фазном прелазу не повећава средњу кинетичку енергију молекула (зато температура не расте), већ се троши на раскидање међумолекулских веза и промену унутрашње потенцијалне енергије система (промену кристалне структуре или савладавање кохезионих сила).

$Дводимензионални линијски график приказује зависност температуре $T$ (вертикална оса, у $^\circ\text{C}$) од времена $t$ (хоризонтална оса). График илуструје процес загревања $1\,\text{kg}$ леда од почетне температуре $-50\,^\circ\text{C}$ до водене паре на $100\,^\circ\text{C}$. График се састоји од четири узастопна сегмента: 1. **Загревање леда:** Узлазни линијски сегмент који почиње од тачке ($t=0, T=-50\,^\circ\text{C}$) и расте до тачке ($t_1, T=0\,^\circ\text{C}$). 2. **Топљење:** Први јасно уочљив хоризонтални плато, на константној температури од $0\,^\circ\text{C}$, протежући се од ($t_1, 0\,^\circ\text{C}$) до ($t_2, 0\,^\circ\text{C}$). Овај плато треба да буде означен као 'Топљење'. 3. **Загревање воде:** Узлазни линијски сегмент који почиње од ($t_2, T=0\,^\circ\text{C}$) и расте до тачке ($t_3, T=100\,^\circ\text{C}$). 4. **Кључање:** Други јасно уочљив хоризонтални плато, на константној температури од $100\,^\circ\text{C}$, протежући се од ($t_3, 100\,^\circ\text{C}$) до ($t_4, 100\,^\circ\text{C}$). Овај плато треба да буде означен као 'Кључање'. Вертикална оса треба да има ознаке за температуре $-50\,^\circ\text{C}$, $0\,^\circ\text{C}$ и $100\,^\circ\text{C}$. Хоризонтална оса треба да има означене тачке $t_1$, $t_2$, $t_3$, $t_4$ које одговарају прелазима фаза. Обе осе треба да буду обележене са 't' и 'T', са стрелицама које показују позитивне правце. Области на графику између сегмената и платоа могу бити додатно означене фазама супстанце: 'Лед', 'Лед + Вода', 'Вода', 'Вода + Пара'.$

Температура леда расте од почетне до $ 0\,^\circ\text{C} $.

На $ 0\,^\circ\text{C} $ доведена топлота се троши на топљење; температура је константна док се сав лед не истопи.

Температура воде расте од $ 0\,^\circ\text{C} $ до $ 100\,^\circ\text{C} $.

На $ 100\,^\circ\text{C} $ доведена топлота се троши на испаравање; температура мирује док сва вода не испари.

Задаци за вежбање

1. (Лако) Наведите називе следећих фазних прелаза:
а) прелазак супстанце из гасовитог директно у чврсто агрегатно стање,
б) прелазак супстанце из течног у гасовито стање који се одвија само са слободне површине.

а) Десублимација.
б) Испаравање.

2. (Средње) У просторији запремине $ V = 50\,\text{m}^3 $ налази се $ 600\,\text{g} $ водене паре на температури $ 20\,^\circ\text{C} $. Густина засићене водене паре на овој температури износи $ 17{,}3\,\text{g/m}^3 $. Израчунајте:
а) апсолутну влажност ваздуха у просторији,
б) релативну влажност ваздуха.

а) Апсолутна влажност: \[ \rho_a = \frac{m}{V} = \frac{600\,\text{g}}{50\,\text{m}^3} = 12\,\text{g/m}^3 \] б) Релативна влажност: \[ \varphi = \frac{\rho_a}{\rho_z} \cdot 100\% = \frac{12\,\text{g/m}^3}{17{,}3\,\text{g/m}^3} \cdot 100\% \approx 69{,}36\% \]

3. (Тешко) Зашто се на фазном $ p-T $ дијаграму угљен-диоксида ($ \text{CO}_2 $) сублимација одвија на нормалном атмосферском притиску ($ p \approx 10^5\,\text{Pa} $), док је код воде за прелазак у течно стање на истом притиску потребно само загревање изнад $ 0\,^\circ\text{C} $?

Тројна тачка $ \text{CO}_2 $ налази се на знатно вишем притиску од нормалног атмосферског ($ p_{\text{тр}} \approx 5{,}11 \cdot 10^5\,\text{Pa} $). Пошто је атмосферски притисак ($ 10^5\,\text{Pa} $) мањи од притиска тројне тачке, течна фаза $ \text{CO}_2 $ уопште не може постојати под нормалним притиском, па загревањем чврсти $ \text{CO}_2 $ директно сублимира.
Код воде је притисак тројне тачке веома низак ($ 611\,\text{Pa} $), што је далеко испод атмосферског притиска, па на $ 10^5\,\text{Pa} $ вода стабилно постоји у течном стању између $ 0\,^\circ\text{C} $ и $ 100\,^\circ\text{C} $.

4.6. Фазни Прелази

Најважније из лекције

Задаци за вежбање

Савладај
домаћи уз хиљаде решења, лекција и тестова:

Математика

Физика

Хемија

Историја

Биологија

Географија

PhotoSolveAI

PhotoSolveAI – моћан алат за решавање задатака на основу слике/текста

Задаци за вежбање

Савладај домаћи уз хиљаде решења, лекција и тестова:

Математика

Физика

Хемија

Историја

Биологија

Географија

PhotoSolveAI

PhotoSolveAI – моћан алат за решавање задатака на основу слике/текста

Савладај
домаћи уз хиљаде решења, лекција и тестова: