Z życia codziennego wiemy, że ogrzewanie lub ochładzanie substancji może prowadzić do zmiany jej stany skupienia. Proces, w którym następuje zmiana stanu skupienia (fazy) danej substancji nazywamy przemianą fazową. Każda przemiana fazowa związana jest z wymianą ciepła danego ciała przechodzącego taką wymianę z otoczeniem. W przypadku topnienia, wrzenia (parowania) oraz sublimacji (przejścia z fazy stałej bezpośrednio w fazę gazową) ciało podlegające danej przemianie pobiera ciepło. W przypadku krzepnięcia, skraplania oraz resublimacji (przejścia z fazy gazową bezpośrednio w fazę stałą) ciało podlegające danej przemianie oddaje ciepło.

Stan skupienia w jakim znajduje się dana substancja wiąże się bezpośrednio ze średnią wzajemną odległością pomiędzy cząsteczkami danej substancji, a co za tym idzie z siłą ich wzajemnych międzycząsteczkowych oddziaływań (to z kolei można przełożyć na energię potencjalną związaną z tymi oddziaływaniami). W przypadku ciał stałych, odległość ta jest najmniejsza, a co za tym idzie energia potencjalna związana ze wzajemnymi oddziaływaniami cząsteczek danej substancji jest najmniejsza. Dla cieczy wspomniana odległość i energia potencjalna jest nieco większa, a dla gazów największa.

Należy mieć na uwadze fakt, że przemiany fazowe zachodzą w stałych temperaturach. Możemy tę sytuację przybliżyć na podstawie lodu przechodzącego w stan ciekły. Gdy lód o temperaturze niższej niż temperatura jego topnienia zaczniemy ogrzewać (będziemy dostarczać do niego energię w formie ciepła), to jego temperatura będzie wzrastać. W pewnym momencie osiągnie ona temperaturę topnienia i wtedy lód zacznie przechodzić przemianę fazową – topnienie. Wówczas odległość pomiędzy wchodzącymi w jego skład cząsteczkami zaczyna rosnąć, jednakże dalsze dostarczanie energii do lodu nie powoduje wzrostu jego temperatury, a jedynie dalsze jego topnienie. Dopiero gdy cały lód stopnieje, czyli substancja zmieni swoją fazę ze stałej na ciekłą, dalsze dostarczanie do niej energii będzie powodowało wzrost jej temperatury. Z analogiczną sytuacją będziemy mieli do czynienia podczas doprowadzenia ciekłej wody do temperatury wrzenia i dalszego dostarczania do niej energii. Wrzenie będzie przebiegać w stałej temperaturze. Powyższe sytuacje zobrazowano na Rys. 1., który zawiera wykres zależności temperatury  danej substancji (np. wody) w zależności od ilości dostarczonej do niej ciepła . Nachylone fragmenty wykresu odpowiadają przedziałom czasu, gdy substancja znajdowała się w jednym ze stanów skupienia i jej temperatura w danym stanie wzrastała wraz ze wzrostem dostarczanej do niej energii. Poziome fragmenty odpowiadają natomiast tym przedziałom czasu, w których substancja przechodziła przemianę fazową.

Rys. 1.

Ze stałością temperatury substancji podczas przemiany fazowej wiąże się fakt, iż średnia energia kinetyczna cząsteczek danej substancji jest stała w czasie gdy substancja ta przechodzi przemianę fazową. Podczas przemiany fazowej zmienia się jednak średnia odległość między cząsteczkami danej substancji, co sprawia, że zmienia się energia potencjalna ich wzajemnych oddziaływań, a to przekłada się na fakt, że podczas przemiany fazowej zmienia się również energia wewnętrzna danej substancji (mimo, że średnia  cząsteczek się nie zmienia). W trakcie topnienia, parowania i sublimacji energia wewnętrzna rośnie, w trakcie krzepnięcia, skraplania i resublimacji energia wewnętrzna maleje.

Ponieważ przechodzenie przemiany fazowej związane jest z wymianą ciepła danej substancji z otoczeniem, to wygodne jest wprowadzenie wielkości fizycznej z tym związanej, jaką jest ciepło przemiany fazowej  – jest to ilość ciepła potrzebna do poddania jednego kilograma danej substancji określonej przemianie fazowej. I tak, wartość ta będzie zależała od tego z jaką substancją mamy do czynienia, a także od tego jakiej przemianie fazowej będziemy poddawać daną substancję. Stąd możemy mieć np. ciepło topnienia lodu, ciepło parowania (wrzenia) etanolu itd. W ogólności wzór na ciepło przemiany fazowej można zatem zapisać następująco:

Gdzie  to ciepło dostarczone do danej substancji podczas jej przemiany fazowej,  to masa tej substancji. Na podstawie tego wzoru można łatwo obliczać ciepło dostarczone lub odebrane od jakiejś substancji przechodzącej daną przemianę fazową jako:

Przykład:

Stalowa kulka o masie 400 g i temperaturze początkowej 380 K stopiła sześcienną kostkę lodu o długości boku równej 3 cm i o temperaturze początkowej 273 K. Oblicz temperaturę kulki w momencie gdy cały lód uległ stopieniu. Ciepło właściwe stali: , ciepło topnienia lodu: , gęstość lodu: .

Rozwiązanie:

Wiemy, że w opisywanej sytuacji kulka oddaje ciepło i jest ono przeznaczone na stopienie lodu. Ciepło oddane przez kulkę możemy zapisać jako (użyto wartości bezwzględnej, stąd zmiana temperatury kulki została zapisana jako dodatnia):

Gdzie  to masa kulki,  i  to temperatura początkowa i końcowa kulki.

Ciepło, które lód musiał pobrać, aby się stopić to:

Gdzie  to masa lodu, którą można obliczyć jako iloczyn objętości kostki lodu i jego gęstości, zatem:

Przyrównując powyższe ciepła do siebie obliczymy końcową temperaturę kulki:

Stąd:

Zadania do zrobienia:

1. Pewną masę wody o temperaturze 20°C zmieszano z pewną masą lodu o temperaturze 0°C. Po pewnym czasie lód całkowicie się stopił, w wyniku czego cały układ stanowiła woda w stanie ciekłym. Jej temperatura wynosiła 0°C. Oblicz stosunek masy początkowej wody w stanie ciekłym do masy lodu. Ciepło właściwe wody to , ciepło topnienia lodu to .

Odp.: 4

2. Na bryłę lodu o temperaturze 0°C skierowano strumień pary wodnej o temperaturze 100°C. Oblicz masę lodu stopionego wskutek skroplenia 1 kg pary. Ciepło topnienia lodu to , ciepło parowania (skraplania) to .

Odp.: 7,99 kg

Jeśli jesteś zainteresowany/a dodatkowymi materiałami dotyczącymi tego zagadnienia, to pod poniższym linkiem znajdziesz płatne (60 zł) dwugodzinne nagranie z omówieniem teorii i rozwiązaniami zadań maturalnych w tej tematyce:

https://szkolamaturzystow.pl/kurs/kurs-maturalny-fizyka-termodynamika-elektrostatyka