The tuhnutí je změna, kterou kapalina prochází, když přechází do pevné fáze. Kapalinou může být čistá látka nebo směs. Změna může být rovněž způsobena poklesem teploty nebo v důsledku chemické reakce..
Jak lze tento jev vysvětlit? Vizuálně se kapalina začne zkamenělá nebo vytvrzená až natolik, že přestane volně proudit. Avšak tuhnutí ve skutečnosti sestává z řady kroků, které se vyskytují v mikroskopických měřítcích..
Příkladem tuhnutí je kapalná bublina, která zmrzne. Na obrázku výše můžete vidět, jak bublina zamrzá při kontaktu se sněhem. Jaká je část bubliny, která začíná tuhnout? Ten, který je v přímém kontaktu se sněhem. Sníh funguje jako podpora, na které mohou být umístěny molekuly bubliny..
Tuhnutí se rychle spouští ze spodní části bubliny. To je vidět na „zasklených borovicích“, které se táhnou a pokrývají celý povrch. Tyto borovice odrážejí růst krystalů, které nejsou ničím jiným než uspořádaným a symetrickým uspořádáním molekul.
Aby došlo k tuhnutí, je nutné, aby částice kapaliny mohly být uspořádány takovým způsobem, že vzájemně interagují. Tyto interakce zesilují s poklesem teploty, což ovlivňuje kinetiku molekul; to znamená, že zpomalí a stanou se součástí krystalu.
Tento proces je známý jako krystalizace a přítomnost jádra (malé agregáty částic) a nosiče tento proces urychluje. Jakmile kapalina vykrystalizuje, říká se, že ztuhla nebo zmrzla.
Rejstřík článků
Ne všechny látky tuhnou při stejné teplotě (nebo při stejném ošetření). Některé dokonce „mrznou“ nad pokojovou teplotu, jako u pevných látek s vysokou teplotou tání. To závisí na typu částic, které tvoří pevnou nebo kapalnou látku..
V pevné látce silně interagují a zůstávají vibrovat ve pevných pozicích v prostoru, bez svobody pohybu a s definovaným objemem, zatímco v kapalině mají schopnost pohybovat se jako četné vrstvy, které se pohybují přes sebe a zabírají objem kontejner, který jej obsahuje.
Pevná látka vyžaduje tepelnou energii k přechodu do kapalné fáze; jinými slovy, potřebuje teplo. Teplo se získává z jeho okolí a minimální množství absorbované k vytvoření první kapky kapaliny se nazývá latentní teplo fúze (ΔHf)..
Na druhé straně musí kapalina uvolňovat teplo do svého okolí, aby uspořádala své molekuly a krystalizovala do pevné fáze. Uvolněné teplo je pak latentní teplo tuhnutí nebo zmrazení (ΔHc). Jak ΔHf, tak ΔHc mají stejnou velikost, ale opačné směry; první má kladné znaménko a druhé záporné znaménko.
V určitém okamžiku začne kapalina zmrznout a teploměr odečte teplotu T. Dokud zcela neztuhne, T zůstane konstantní. Protože ΔHc má negativní znaménko, sestává z exotermického procesu, při kterém se uvolňuje teplo.
Proto teploměr bude číst teplo vydávané kapalinou během její fázové změny, čímž působí proti uloženému poklesu teploty. Například pokud je nádoba obsahující kapalinu vložena do ledové lázně. T se tedy nesnižuje, dokud není úplně dokončeno tuhnutí..
Jaké jednotky doprovázejí tato měření tepla? Obvykle kJ / mol nebo J / g. Ty se interpretují následovně: kJ nebo J je množství tepla potřebné pro 1 mol kapaliny nebo 1 g, aby bylo možné ochladit nebo ztuhnout.
Například v případě vody se ΔHc rovná 6,02 kJ / mol. To znamená, že 1 mol čisté vody musí uvolnit 6,02 kJ tepla, aby zamrzl, a toto teplo udržuje teplotu v procesu konstantní. Podobně musí 1 mol ledu absorbovat 6,02 kJ tepla, aby se roztavil..
Přesná teplota, při které k procesu dochází, je známá jako bod tuhnutí (Tc). To se u všech látek liší v závislosti na tom, jak silné jsou jejich intermolekulární interakce v pevné látce..
Čistota je také důležitou proměnnou, protože nečistá pevná látka neztuhne při stejné teplotě jako čistá. Výše uvedené je známé jako pokles bodu mrazu. Pro srovnání bodů tuhnutí látky je nutné jako referenci použít ten, který je co nejčistší.
Totéž však nelze použít pro řešení, jako je tomu v případě kovových slitin. Pro srovnání jejich bodů tuhnutí je třeba vzít v úvahu směsi se stejnými hmotnostními podíly; tj. se stejnými koncentracemi jeho složek.
Je jisté, že bod tuhnutí má velký vědecký a technologický význam, pokud jde o slitiny a jiné druhy materiálů. Je to proto, že řízením času a způsobu, jakým jsou chlazeny, lze získat některé žádoucí fyzikální vlastnosti nebo je možné se vyhnout těm, které jsou nevhodné pro určitou aplikaci..
Z tohoto důvodu má pochopení a studium tohoto konceptu velký význam v metalurgii a mineralogii, stejně jako v jakékoli jiné vědě, která si zaslouží výrobu a charakterizaci materiálu..
Teoreticky by se Tc měla rovnat teplotě nebo bodu tání (Tf). To však neplatí vždy pro všechny látky. Hlavním důvodem je, že na první pohled je jednodušší pokazit molekuly pevné látky, než je objednat kapalné..
Z tohoto důvodu je v praxi výhodné použít Tf ke kvalitativnímu měření čistoty sloučeniny. Například pokud má sloučenina X mnoho nečistot, bude její Tf vzdálenější od čisté X ve srovnání s jinou s vyšší čistotou..
Jak již bylo řečeno, tuhnutí pokračuje ke krystalizaci. Některé látky, vzhledem k povaze jejich molekul a jejich interakcím, vyžadují k tuhnutí velmi nízké teploty a vysoké tlaky..
Například kapalný dusík se získává při teplotách pod -196 ° C. Pro její ztuhnutí by bylo nutné ji ještě více ochladit nebo zvýšit její tlak, čímž by došlo k vynucení N molekuldva být seskupeny dohromady a vytvořit jádra krystalizace.
Totéž lze považovat za jiné plyny: kyslík, argon, fluor, neon, helium; a nejextrémnější ze všech je vodík, jehož pevná fáze přitahovala velký zájem o své možné bezprecedentní vlastnosti.
Na druhou stranu je nejznámější případ Suchý led, což není nic jiného než COdva jehož bílé páry jsou způsobeny jeho sublimací na atmosférický tlak. Ty byly použity k obnovení oparu na jevišti..
Pro tuhnutí sloučeniny nezávisí pouze na Tc, ale také na tlaku a dalších proměnných. Čím menší jsou molekuly (Hdva) a čím jsou jejich interakce slabší, tím obtížnější bude, aby se dostali do pevného stavu.
Kapalina, ať už jde o látku nebo směs, začne při teplotě v místě tuhnutí zmrznout. Avšak za určitých podmínek (jako je vysoká čistota, pomalá doba chlazení nebo velmi energetické prostředí) může kapalina snášet nižší teploty bez zamrzání. Tomu se říká podchlazení..
Stále neexistuje absolutní vysvětlení tohoto jevu, ale teorie podporuje to, že všechny ty proměnné, které zabraňují růstu krystalizačních jader, podporují podchlazení..
Proč? Protože z jader se po přidání molekul z okolí vytvoří velké krystaly. Pokud je tento proces omezený, i když je teplota pod Tc, kapalina zůstane nezměněna, jak se to stane s malými kapkami, které tvoří a zviditelňují mraky na obloze..
Všechny podchlazené kapaliny jsou metastabilní, to znamená, že jsou náchylné k sebemenším vnějším poruchám. Například pokud k nim přidáte malý kousek ledu nebo se trochu otřásáte, okamžitě zamrznou, což je zábavný a snadný experiment..
-Ačkoli to není pevná látka sama o sobě, želatina je příkladem procesu tuhnutí chlazením.
-Roztavené sklo se používá k vytváření a navrhování mnoha objektů, které si po ochlazení zachovají své konečné definované tvary.
-Stejně jako bublina ztuhla při kontaktu se sněhem, stejná může podstoupit i láhev sody; a pokud je podchlazeno, jeho zmrazení bude okamžité.
-Když se láva vynoří ze sopek pokrývajících jejich okraje nebo zemský povrch, ztuhne, když ztratí teplotu, až se z ní stanou vyvřeliny.
-Vejce a koláče tuhnou se zvýšením teploty. Stejně tak to dělá nosní sliznice, ale kvůli dehydrataci. Další příklad lze nalézt také v barvách nebo lepidlech.
Je však třeba poznamenat, že tuhnutí v těchto případech nedochází jako produkt chlazení. Skutečnost, že kapalina tuhne, tedy nutně neznamená, že zmrzne (znatelně nesnižuje její teplotu); ale když kapalina zamrzne, nakonec ztuhne.
Ostatní:
- Konverze vody na led: k tomu dochází při teplotě 0 ° C, což vytváří led, sníh nebo ledové kostky.
- Vosk na svíčky, který se taví plamenem a znovu tuhne.
- Mražení potravin pro jejich uchování: v tomto případě jsou molekuly vody v buňkách masa nebo zeleniny zmrazeny..
- Foukání skla: toto se roztaví do tvaru a poté ztuhne.
- Výroba zmrzliny: jsou to obvykle mléčné výrobky, které tuhnou.
- Při získávání karamelu, který je roztavený a ztuhlý cukr.
- Máslo a margarín jsou mastné kyseliny v pevném stavu.
- Metalurgie: při výrobě ingotů nebo nosníků nebo struktur určitých kovů.
- Cement je směs vápence a jílu, která po smíchání s vodou má tuhost.
- Při výrobě čokolády se kakaový prášek mísí s vodou a mlékem, které po usušení ztuhne.
Zatím žádné komentáře