légnemű fázisból, ám lehetségesek gáz(gőz)–folyadék, gáz(gőz)–szilárd, folyadék–folyadék, folyadék–szilárd és szilárd–szilárd rendszerek. Az alábbiakban néhány példa:
Gáz–folyadék: például oxigéngáz és víz.
Gáz–szilárd: például platina és hidrogéngáz.
Folyadék–folyadék: egymással nem elegyedő vagy korlátozottan elegyedő folyadékok. Például benzin és víz keveréke.
Folyadék–szilárd: lehet például oldott anyag és oldószer vagy szilárd anyag és olvadéka.
Szilárd–szilárd: például egy elem két módosulata (sárga foszfor és vörös foszfor, grafit és gyémánt).
A magára hagyott rendszer mindig az egyensúly elérésére törekszik.
Standard állapot: a jelenlegi konvenciók szerint a standard állapot egy konkrét nyomásértéket jelöl, még pedig vagy a 105 Pa-t, vagy a normál légköri nyomást (101 325 Pa), függetlenül a hőmérséklettől. Régebben elterjed volt a standard állapot definíciója mint normál légköri nyomás és 25,00 °C (298,15 K) hőmérséklet kombinációja.
4.2. Az anyagi halmazok csoportosítása
A környezetünkben előforduló anyagokat többféleképpen csoportosíthatjuk:
Összetétel alapján:
– Egyszerű anyagok: csak azonos rendszámú atomokat tartalmaznak: elemek.
– Összetett anyagok: többféle rendszámú anyagból épülnek fel. Ezek lehetnek vegyületek, vagy keverékek.
Komponensek száma szerinti csoportosítás:
– Tiszta anyagok: elemek vagy vegyületek, egyetlen komponensből állnak.
– Keverékek: többféle komponensből állnak.
Halmazállapot szerinti csoportosítás (az egyetemi tanulmányok során szó lesz még egy negyedik halmazállapotról is):
– szilárd anyag – folyadék
– légnemű anyagok vagy gázok.
4.3. Halmazállapotok, halmazállapot-változások
Elméletileg minden elem és vegyület három halmazállapotban fordulhat elő, a gyakorlatban azonban nem minden elem és vegyület veszi fel mindhárom halmazállapotot. Például azért, mert az anyag olvadása vagy forrása során elbomlik.
Egy anyag halmazállapota alapvetően a hőmérséklettől, a nyomástól és az anyagi minőségtől függ.
4.3.1. Halmazállapot-változások:
Olvadás: az anyag szilárd halmazállapotból folyadékká válik.
Szublimáció: a szilárd anyag közvetlenül légnemű halmazállapotba kerül anélkül, hogy folyadék halmazállapotot venne fel.
Forrás: folyadékból légnemű anyag keletkezik.
Fagyás: folyadék állapotból légnemű halmazállapotba kerül az anyag.
Kondenzáció vagy lecsapódás: légnemű halmazállapotból szilárd vagy folyadék halmazállapotba kerül az anyag.
4.3.1.1. ábra: Fázisátalakulások
Tiszta anyagok (elemek vagy vegyületek) halmazállapot-változásai adott nyomás esetén jól meghatározott hőmérsékleten mennek végbe, az anyagra jellemző fizikai állandók. A következőkben ezen kitüntetett hőmérsékleteknek az elnevezésével ismerkedünk meg. Ezek mértékegysége a hőmérséklet szokásos mértékegysége (Celsius-fok: °C, kelvin: K).
Olvadáspont: az a hőmérséklet, melyen az anyag normál légköri nyomáson szilárd halmazállapotból folyadékká alakul.
Fagyáspont vagy dermedéspont: azon hőmérséklet, melyen az anyag normál légköri nyomás mellett folyadékból szilárd halmazállapotúvá alakul.
Tiszta anyagok olvadás- és fagyáspontja megegyezik.
Forráspont: az a hőmérséklet, melyen az anyag normál légköri nyomáson folyadékból légnemű halmazállapotúvá válik.
Kondenzációs vagy lecsapódási pont: azon a hőmérséklet, melyen az anyag normál légköri nyomáson légneműből folyadék vagy szilárd halmazállapotúvá válik.
Szublimációs pont: az a hőmérséklet, melyen az anyag normál légköri nyomáson szilárdból közvetlenül légnemű halmazállapotúvá válik.
Tiszta anyagok forrása esetén azok forráspontja és kondenzációs pontja megegyezik, hasonlóan a szublimáció esetén a szublimációs pont és a kondenzációs pont azonos.
Jogos kérdés, hogy miért hangsúlyozzuk, hogy tiszta anyagok esetén egyezik meg például az olvadáspont és a fagyáspont. Természetesen a keverékeknek (elemek és/vagy vegyületek keveréke) is van olvadáspontja és fagyáspontja, ám ezek esetén azonban az olvadáspont és fagyáspont csak ritkán egyezik meg. Ez természetesen igaz a többi változásra is. Az elegyek halmazállapot-változásairól részletesebben az egyetemi tanulmányok során esik majd szó.
Megjegyzés: mint fentebb említettük, nemcsak a hőmérséklettől, de a nyomástól is függ, hogy milyen halmazállapotú egy tiszta anyag. A nyomásfüggés igaz azon kitüntetett hőmérsékletekre is, melyeken a halmazállapot-változások végbemennek. A fizikai állandókat mindig normál légköri
GÁZ
SZILÁRD FOLYADÉK
kondenz áció szub
lim áció
kondenz áció szub
lim
áció kondenz
áci ó forr
ás kondenz
áci ó forr
ás
olvadás fagyás olvadás
fagyás
nyomásra adjuk meg, melynek értéke 101 325 Pa. Ez természetesen konvenciók kérdése, és bizonyos újabb ajánlások nem a normál légköri nyomást, hanem a hozzá igen közeli 105 Pa (100 kPa, 1 bar) nyomást adják meg referenciapontnak. Amennyiben nem normál légköri nyomáson mérjük a halmazállapothoz tartozó hőmérsékletet, a „pont” (olvadáspont, forráspont stb.) helyett „hőmérséklet”-et mondunk. Például, ha egy anyag forrásának hőmérsékl„hőmérséklet”-etét nem normál légköri nyomáson mérjük, a kapott értéket szabályosan nem mondhatjuk forráspontnak csak forráshőmérsékletnek. Az olvadáshőmérsékletet a külső nyomás nem nagyon befolyásolja, ám a szublimációs és forráshőmérséklet nyomásfüggése viszonylag nagy.
Egy tiszta szilárd anyagot állandó nyomáson melegítünk. Hogyan változik az anyag hőmérséklete eközben?
A hőközlés hatására növekszik a szilárd anyag hőmérséklete, az anyag hőkapacitása adja meg, hogy egy adott hőmennyiség hatására mekkora hőmérséklet-növekedést tapasztalunk. A hőmérséklet egészen addig növekszik, míg az anyag elkezd megolvadni. Az olvadás folyamata közben azonban nem növekszik a hőmérséklet: a hőmérséklet mindaddig állandó marad, amíg az összes szilárd anyag folyadékká nem alakul. A hőmennyiség nem a hőmérséklet növelésére, hanem az olvadásra fordítódik.
A hő ahhoz szükséges, hogy a szilárd anyagban lévő kötéseket felbontsuk, így az anyag folyadékká alakuljon. További hőközlés hatására a folyadék hőmérséklete folyamatosan növekszik, míg a forrás meg nem indul. Az olvadáshoz hasonlóan forrás során is állandó a hőmérséklet mindaddig, amíg folyadék is található a gőz mellett. Miután az összes folyadék elforrt, a gőz hőmérséklete növekszik. A folyamatot az alábbi ábrán szemléltethetjük.
4.3.1.2. ábra: Hőmérséklet–idő diagram állandó nyomás mellett A halmazállapot-változások során a hőmérséklet állandó.
Vegyünk egy másik példát: a jég olvadása 0 °C hőmérsékleten megy végbe (normál légköri nyomáson). Mi történik, ha egy hőszigetelt edényben nagy mennyiségű −10 °C hőmérsékletű jeget és +5 °C hőmérsékletű folyékony vizet összekeverünk? Mivel a jég olvadáspontja (víz fagyáspontja) 0 °C, a jég ennél alacsonyabb hőmérsékleten nem tud megolvadni. Ahhoz, hogy a jég elkezdjen olvadni, a hőmérsékletének 0 °C-ra kell emelkednie. Mivel hőszigetelt edényben dolgozunk, a felmelegedéshez szükséges hőmennyiség csak a melegebb folyékony víztől származhat. A víznek tehát le kell hűlnie, a jégnek pedig fel kell melegednie 0 °C-ra ahhoz, hogy a halmazállapot-változás végbemehessen! Sejthető, hogy a folyamat végére a hőmérsékletek kiegyenlítődnek. A rendszer véghőmérséklete függ a jég és a víz mennyiségétől (és további fizikai állandóktól is).
Szélsőséges esetben olyan is előfordulhat, hogy az összes jég felolvad, és a hőmérséklet 0 °C vagy annál magasabb. Ez akkor lehetséges, ha kis mennyiségű jeget sok vízbe helyezünk.
Egy másik eset, hogy csak jég marad az edényben, az összes víz megfagy. Ez akkor lehetséges, ha nagyon sok jéghez adunk kevés vizet.
Tehát a fenti esetben mindenképpen hőmérséklet-kiegyenlítődésnek kell történnie, melynek során beáll a termikus egyensúly. Termikus egyensúly esetén a rendszer minden pontjának azonos a hőmérséklete.
Tiszta anyagok esetén az olvadás, forrás stb., azaz a halmazállapot-változások során a két különböző halmazállapotú fázisoknak egymással egyensúlyban kell lenniük, ezért a halmazállapot-változás – adott nyomás esetén – csak egy konkrét hőmérsékleten mehet végbe.
Fontos megjegyezni, hogy a halmazállapot-változás hőmérsékletét mindig úgy kell kísérletileg meghatározni, hogy közben az anyag mindkét halmazállapotban jelen legyen, tehát egyensúlyi hőmérsékletet mérjünk!
A halmazállapot-változásokat kísérő hőváltozások
Mint fentebb említettük, egy éppen olvadó anyagot melegítve, a hő arra fordítódik, hogy végbemenjen a halmazállapot-változás. A szilárd anyagban lévő kötőerőket fel kell szakítanunk, hogy kialakuljon a folyékony halmazállapot, melyben a részecskék el tudnak mozdulni. Forrás esetén szintén energiát kell befektetnünk ahhoz, hogy a folyadék részecskéit eltávolítsuk egymástól annyira, hogy létrejöjjön a légnemű halmazállapot. A helyzet hasonló a szublimációnál is, energiabefektetés szükséges ahhoz, hogy a szilárd anyagban lévő kötéseket megszüntessük, és az anyag így légnemű halmazállapotúvá váljék.
Tehát az olvadás, a forrás és a szublimáció esetén energiát kell befektetnünk, így ezek endoterm folyamatok. Az ellentétes irányú folyamatok, azaz a fagyás és kondenzáció során energia szabadul fel, ezek exoterm folyamatok.
Endoterm folyamat: hőelnyeléssel járó folyamat.
Például: olvadás, forrás, szublimáció.
Exoterm folyamat: hőfelszabadulással járó folyamat.
Például: fagyás, kondenzáció.
Nézzünk egy hétköznapi példát a folyadékok párolgására!
Nyári forró napokon nagyobb városokban gyakran locsolják vízzel az utakat. A víz (és a többi folyadék) azonban nemcsak a forráspontján párolog, hanem alacsonyabb hőmérsékleteken is. A párolgás, a forráshoz hasonlóan endoterm folyamat, tehát hőt von el a környezetétől. Az elpárolgó víz így valamelyest lehűti az aszfaltot.
Az elnyelődő, illetve felszabaduló hő arányos az anyag tömegével és így anyagmennyiségével. Az ilyen fajlagos vagy moláris hőmennyiségek már függetlenek az anyag mennyiségétől (tömegétől, illetve anyagmennyiségétől), ezért anyagi jellemzők, megfelelő táblázatokban összegyűjtve megtalálhatóak.
Fajlagos olvadáshő: egységnyi tömegű szilárd anyag megolvasztásához szükséges hő.
m Lolv Q
Moláris olvadáshő: egységnyi anyagmennyiségű szilárd anyag megolvasztásához szükséges hő.
n Lolv,m Q
A két mennyiség között a moláris tömeg (M = m / n) teremt kapcsolatot, melynek segítségével könnyen átválthatjuk őket egymásba:
M
Lolv Lolv,m , illetve Lolv,m MLolv.
Mivel az olvadás endoterm folyamat, a fajlagos, illetve moláris olvadáshő előjele – konvenció szerint – pozitív.
Hasonlóan definiálható fajlagos/moláris fagyáshő, forráshő (vagy párolgáshő), szublimációs hő és kondenzációs hő. Azon hőfajtákat, melyek során nem tapasztalható hőmérséklet-változás, látens hőnek nevezzük gyűjtőnéven.
Minden endoterm folyamat esetén a hő előjele pozitív, exoterm folyamatok esetén pedig negatív.
Így az egyes fajlagos/moláris hők előjele:
Pozitív előjel:
– olvadáshő,
– forráshő (párolgáshő), – szublimációshő.
Negatív előjel:
– fagyáshő,
– kondenzációshők.
Az alábbi ábrán a piros nyíl az endoterm (hőelnyelő) folyamatot jelöli (a hő előjele pozitív), a kék nyilak pedig az exoterm (hőtermelő) folyamatokat mutatják (a hő előjele negatív).
4.3.1.3. ábra: Fázisátalakulások hőváltozásai
Az olvadás és fagyás ellentétes folyamatok, egy adott mennyiségű anyag megolvasztásához ugyanannyi hőt kell befektetni, mint amennyi hő felszabadul annak megfagyásakor. Ebből adódik, hogy a fajlagos olvadáshő és a fajlagos fagyáshő nagysága ugyanakkora, csak előjele ellentétes.
Tehát a fajlagos, illetve moláris mennyiségekre:
Lfagyás = −Lolvadás
Lkondenzáció = −Lforrás
Lkondenzáció = −Lszublimáció