Az anyagok lehetséges állapotai, a fizikai körülményektől (nyomás, hőmérséklet) függően. Az anyagokat általában a normál körülmények között jellemző állapotuk alapján soroljuk be szilárd, folyékony vagy gáz, illetve plazma halmazállapotba.
A szilárd testek alakja és térfogata észrevehetően csak nagy erő hatására változik meg. A testekben a részecskék egymáshoz közel vannak, kristályos testekben szabályos térbeli rácsot alkotva. Amorf testekben (pl. viasz, üveg) a részecskék szabálytalanul helyezkednek el, ezek tulajdonképpen megdermedt, rendkívül nagy viszkozitású folyadékok.
A folyadékok nem rendelkeznek meghatározott alakkal, felveszik a tartó edény alakját; összenyomni azonban nagyon nehéz őket (az ideális jelző folyadékoknál összenyomhatatlanságot jelent). Részecskéik egymáshoz közel, de rendezetlenül helyezkednek el, és egymáshoz képest – a hőmérséklettel együtt növekvő sebességgel – könnyen elmozdulhatnak.
A gázok kitöltik a rendelkezésre álló teret, és könnyen változtatják térfogatukat. Részecskéik egymástól távol vannak, és a hőmérséklettel együtt növekvő sebességgel – egymással és az edény falával rugalmasan ütközve – rendezetlen mozgást végeznek.
A plazmaállapotban lévő anyag ionizált magas hőmérsékletű gáz. Elektronokból és pozitív ionokból áll. Kifelé általában elektromosan semleges.
Halmazállapot-változásnak azt az átalakulást nevezzük, amikor az anyag egyik halmazállapotából a másikba jut. Hőmérséklet, vagy nyomás emelkedésekor: szilárd → olvadás → folyékony → párolgás, forrás → gáz szilárd → szublimáció → gáz Hőmérséklet, vagy nyomás csökkenésekor: gáz → lecsapódás vagy kondenzáció → folyadék → → fagyás → szilárd gáz → kicsapódás → szilárd
Olyan halmazállapot-változás, mely során az anyag szilárdból folyékony állapotba megy át. Attól kezdve, hogy a szilárd test hőmérséklete elérte az anyagi minőségére jellemző olvadáspontot (To), a felvett hő nem a test melegítésére, hanem a részecskéit összetartó kémiai (ionos, fémes, kovalens) kötések felbontására fordítódik.
Egységnyi tömegű olvadásponton levő szilárd anyag megolvasztásához szükséges hő. Az olvadáshő a kristályszerkezet felbontásához szükséges.
Q L m
olvadás
o
J L kg o
Amorf anyagoknál – kristályszerkezet hiányában – nem beszélhetünk olvadáshőről.
Az a folyamat, mely során az anyag folyékony halmazállapotból szilárd halmazállapotba kerül. Az anyag hőmérséklete addig csökken, amíg eléri a fagyáspontot Tf /amely megegyezik az olvadásponttal To /, ezt elérve a hőmérséklet állandó marad egészen addig, amíg az egész folyadék meg nem fagy.
Az anyagi minőségtől és a külső nyomástól. gyakorlati példák: •
•
újrafagyás (regeláció) jelensége: Ha egy vékony acélhuzal két végére két egyforma súlyt akasztunk majd azt átvetjük egy jégtömbön, egy idő után az acélhuzal áthalad a jégtömbön. korcsolya: Ugyanezen jelenségre alapoznak a korcsolyázók. A kis élfelületű korcsolya nagy nyomást gyakorol az éppen alatta levő jégre, amely kissé megolvad és a keletkező vékony vizes jégen csúszik a korcsolya.
Egységnyi tömegű fagyásponton levő folyadék fagyásakor felszabaduló hő.
Q L m f
f
J L kg f
Egy test fagyásakor ugyanakkora hő szabadul fel, mint amennyi a megolvasztásához szükséges, ezért :
L L f
o
Olyankor alakul ki, amikor a folyadékokat folyadék állapotban tartva - fagyáspontjuk alá hűtik. Ez az állapot instabil. A túlhűtött folyadék, ha „megzavarják”, az adott hőmérsékleten stabil szilárd állapotba megy át. Túlhűtött állapot jön létre a felhőkben, a jégkristályok képződése előtt, tavak felületének befagyásakor és liofilizálásnál.
A forráspont alatti folyadék gáz átmenet. Párolgás közben a folyadék felszínén levő részecskék némelyike elszakad a folyadéktól, lévén akkora a mozgási energiája, hogy le tudja győzni a folyadék belseje felé ható kohéziós (azonos részecskék között ható vonzó) erőt. Párolgáshő: egységnyi tömegű, adott hőmérsékletű folyadék elpárolgásához szükséges hő.
Jele: Lp , Lp
J kg
Lp
Qpárolgás m
a párolgás sebessége függ a folyadék anyagi minőségétől (Az alkohollal átitatott szűrőpapír hamarabb megszárad, mint a vízzel átitatott.) a párolgás sebessége függ a párolgó felület nagyságától (A négyrét hajtott papír lassabban szárad meg, mint a kiterített.) a párolgás sebessége függ a folyadék hőmérsékletétől (Előmelegített fémkorongra csöppentett folyadék hamarabb elpárolog, mint az előmelegítés nélkülire csöppentett.) a párolgás sebessége függ a környezet páratartalmától (A lap, amelyik mellett fújással lecsökkentjük a páratartalmat, előbb szárad meg, mint amit nyugodtan hagyunk.
Forrás akkor következik be, ha már nem csak a folyadék felülete párolog, hanem a belsejében lévő gőzbuborékok is a felszínre emelkednek. A forrás egy adott hőmérsékleti ponton, a forrásponton (Tf) indul meg. A folyadék hőmérséklete forrás közben állandó marad. A forráspont értéke függ: • a folyadék anyagi minőségétől, • a folyadék felszíne fölötti levegő és gőz keverékének nyomásától. A külső nyomás csökkenésekor a forráspont csökken, növekedésekor pedig növekszik.
Egységnyi tömegű forrásponton levő folyadék elforralásához szükséges hő. Jele:
Lf , Lf
J kg
Qforrás Lf m
Forráspontnak azt a hőmérsékletet nevezzük, amikor a gőz nyomása egyenlő a külső nyomással. A folyadék kisebb nyomáson (pl. a magasabb hegyeken) alacsonyabb hőmérsékleten forr, nagyobb nyomáson (pl. a kuktafazékban) magasabb.
A forráspont jellemző az adott anyagra.
A lecsapódás az a halmazállapot-változás, amely sorén a légnemű anyag folyékonnyá válik. A lecsapódási hő az egységnyi tömegű forrásponton levő gőz lecsapódásakor felszabaduló hő.
Ll
Qlecsapódás m
J Ll kg
Egy test lecsapódásakor ugyanakkora hő szabadul fel, mint amennyi az elforralásához szükséges, ezért:
Ll Lf
A szilárd fázis átmenete közvetlenül légnemű fázisba, más szóval a szilárd anyag párolgása. Légköri nyomáson szublimáló anyag pl. a szilárd széndioxid (szárazjég) és a jód vagy a kámfor. Valamennyire minden anyag szublimál, ezért érezzük illatát, szagát sok szilárd anyagnak is.
Adott halmazállapotban a hőmérséklet-változás során bekövetkező energiaváltozás:
∆𝑬𝒃 = Q = 𝒄 ∙ 𝒎 ∙ ∆𝒕 A halmazállapot-változás során : ∆𝑬𝒃 = Q = L ∙ m
A termikus kölcsönhatások során: Qle = Qfel Az egyik által leadott hő megegyezik a másik által felvett hővel.
Hővezetés: Főleg szilárd anyagokra jellemző. A részecskék rezgési állapotukat, energiájukat adják tovább. Jó hővezetők: pl. fémek Rossz hővezetők /hőszigetelők/: pl. fa, műanyag Hőáramlás: a folyadékokra és gázokra jellemző hőterjedési folyamat. pl. tengeri áramlások, kéményekben létrejövő huzat Hősugárzás: A hőterjedés olyan módja két test között, amikor a testek között nincs közeg, vagy az számottevően nem melegszik át. A test által sugárzott hő függ a test hőmérsékletétől, színétől, érdességétől.
