Фазові переходи
Матеріал
Урок 18. Фазові переходи
Мета уроку: сформувати в учнів цілісне уявлення про фазові переходи речовин та їх відображення на фазовій діаграмі, пояснювати фізичні процеси на її основі, а також показати практичне застосування знань у техніці, медицині та харчовій промисловості
Очікувані результати для вчителя:
Очікувані результати для учнівства:
Ключові слова:
- плавлення
- замерзання
- випаровування
- конденсація
- сублімація
- десублімація
- ліофілізація
- фазовий перехід
- потрійна точка
- критична точка
- надкритичний стан
- критична температура
- критичний тиск
План уроку:
- Мотиваційна частина
- Теоретичний блок
2.1. Фазові переходи
2.2. Діаграма стану - Практичний блок
- Попрактикуймо самостійно
- Рефлексія
Дружня порада вчителю
Тривалість до 3 хв.
Проблемне питання
Чи може вода одночасно існувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому та газоподібному?
Джерело: https://chatgpt.com/
Посилання на відео джерела:
Відео
Відео
Відео
Дружня порада вчителю
Тривалість до 15 хв.
Важливо послідовно вводити терміни: агрегатний стан, фаза, фазовий перехід, температура плавлення, температура кипіння, потрійна точка тощо — і закріплювати їх у через приклади.
Під час розповіді про зміни агрегатних станів, поцікавтеся у учнів які приклади вони можуть привести: плавлення, затвердівання, випаровування, конденсація, сублімація та десублімація. Де саме кожен з переходів з одного стану в інший зустрічається та використовується в житті.
Використовуєте візуалізацію: відео, анімації, досліди. Це допоможе учням краще зрозуміти матеріал.
Акцентуйте увагу на тому що не тільки зміна температури впливає на зміну агрегатного стану а й тиск!
Покроково розберіть діаграму стану речовини розкажіть що означає кожна лінія та точки. Приділіть цьому достатньо часу, всі подальші завдання будуть пов’язані з діаграмами.
2.1. Фазові переходи.
Ви знаєте, що речовина може перебувати у твердому, рідкому або газоподібному стані. У фізиці називають певні рівноважні стани речовини фазами. Перетворення речовини з одного стану в інший називають фазовими переходами.
Існує шість способів переходу речовини між агрегатними станами (фазами): плавлення, затвердівання (замерзання), випаровування, конденсація, сублімація та десублімація. Ці процеси є оборотними, і кожен перехід між фазами відбувається по-різному (рис.1).
Джерело: https://uk.wikipedia.org/
Зміна температури може вплинути на зміну фази речовини. Якщо помістити воду в морозильну камеру, то з часом вона перетвориться на лід.
Якщо кристалічне тіло помістити в контейнер, який розмістити над джерелом тепла, то тепло буде передаватися тілу. Температура підвищується, доки не досягне температури плавлення. При подальшій передачі тепла починається плавлення та тіло переходить в рідкий стан . При цьому фазовий перехід відбувається за сталого тиску.
Температура плавлення — це температура, за якої тверда кристалічна речовина плавиться, тобто переходить у рідкий стан. Кожна речовина має свою температуру плавлення (табл 1, значення вказані за нормального атмосферного тиску).
Табл.1
| Речовина | t, °C | Речовина | t, °C | Речовина | t, °C |
|---|---|---|---|---|---|
| Алюміній | 660 | Мідь | 1087 | Спирт | –115 |
| Водень | –256 | Нафталін | 80 | Срібло | 962 |
| Вольфрам | 3387 | Олово | 232 | Сталь | 1400 |
| Залізо | 1535 | Парафін | 55 | Титан | 1660 |
| Золото | 1065 | Ртуть | –39 | Цинк | 420 |
| Лід | 0 | Свинець | 327 | Чавун | 1200 |
Кожна речовина також має свою температуру кипіння ( табл 2, значення також вказані за нормального атмосферного тиску).
Табл.2
| Речовина | t, °C | Речовина | t, °C |
|---|---|---|---|
| Вода | 100 | Мідь | 2567 |
| Водень | –253 | Молоко | 100 |
| Гліцерин | 290 | Олія | 310 |
| Ефір | 35 | Ртуть | 357 |
| Залізо | 2750 | Свинец | 1740 |
| Кисень | –183 | Спирт | 78 |
Тиск також можна використовувати для зміни фази речовини (зміні агрегатного стану речовини). Уявіть контейнер з певним газом, оснащений поршнем, який герметично закриває контейнер. Коли поршень стискає газ, тиск зростає. Після досягнення точки кипіння газ конденсується в рідину. Коли поршень продовжує стискати рідину, тиск зростатиме, доки не буде досягнута точка плавлення. При подальшому стисканні (збільшенні тиску) рідина буде перетворюватися у тверду речовину. В цьому прикладі температура залишається незмінною, змінюється лише тиск. (вважаємо, що стінки контейнеру проводять тепло та внаслідок теплообміну з навколишнім середовищем, температура речовини в контейнері залишається незмінною)
2.2. Діаграма стану
Для того, щоб передбачити стан речовини за різних умов (температури і тиску), використовують фазові діаграми. На рис.2 наведено приклад фазової діаграми для загальної однокомпонентної системи:
Фазові діаграми відображають залежність тиску (зазвичай в атмосферах або кПа) від температури (зазвичай у градусах Цельсія або Кельвіна). Мітки на графіку представляють стабільні стани системи в рівновазі. Лінії представляють комбінації тисків і температур, за яких дві фази можуть існувати в рівновазі. Іншими словами, ці лінії визначають точки фазового переходу:
- червона лінія розділяє тверду та газову фази, представляє сублімацію (тверда фаза в газ) та десублімацію (газова фаза в тверду).
- зелена лінія розділяє тверду та рідку фази та представляє плавлення (тверда фаза в рідку) та затвердівання (рідка фаза в тверду).
- синя лінія розділяє рідку та газову фази, представляє пароутворення (рідка фаза в газ) та конденсацію (газова фаза в рідину).
На діаграмі також є дві важливі точки: потрійна точка та критична точка:
- потрійна точка являє собою комбінацію тиску та температури, при якій співіснують три стани речовини: газоподібний, рідкий та твердий.
- критична точка обриває лінію рідкої/газової фази та пов’язана з критичним тиском, тиском, вище якого утворюється надкритична рідина.
Джерело: https://ukrayinska.libretexts.org/
Для більшості речовин потрійна точка (де одночасно існують тверда, рідка і газоподібна фази) виникає при нижчих температурі й тиску, ніж ті, що ми зазвичай називаємо “стандартними умовами”. Натомість критична точка (після якої вже неможливо відрізнити рідину від газу) завжди розташована при вищому тиску, ніж стандартний.
Зазвичай лінія твердої/рідкої фази має позитивний нахил праворуч (як на діаграмі для вуглекислого газу, рис.3). Однак для води лінія має позитивний нахил ліворуч (як показано на діаграмі для води, рис.4). Це вказує на те, що рідка фаза має більшу густину, ніж тверда фаза. Розтопити лід можна просто застосовуючи тиск, не змінюючи температуру.
Джерело: https://ukrayinska.libretexts.org/
Дружня порада вчителю
Тривалість до 15 хв.
Завдання №1
Використовуючи діаграму стану води, наведену на рис.5, встановіть агрегатний стан води при наступних температурах і тисках:
- −10 °C та 50 кПа
- 25° C та 90 кПа
- 50 °C та 40 кПа
- 80° C та 5 кПа
- −10 °C та 0,3 кПа
- 50 °C та 0,3 кПа
Джерело: https://ukrayinska.libretexts.org/
Відповіді:
- тверда речовина;
- рідина;
- рідина;
- газ;
- тверда речовина;
- газ.
Завдання №2
Ліофілізація (сублімаційне сушіння) — це сучасний метод консервації, під час якого продукт спочатку заморожують, а потім за умов вакууму випаровують з нього воду безпосередньо з твердого (льоду) у газоподібний стан, минаючи рідку фазу. Завдяки цьому з продукту ефективно видаляється волога, зберігаючи при цьому його форму, смак, колір і більшість корисних властивостей.
Найделікатнішою вважається вакуумна ліофілізація — вона дозволяє максимально зберегти поживні речовини, текстуру та аромат їжі, адже не передбачає використання високих температур, як це відбувається при традиційних методах сушіння.
Джерело: https://cacaomill.com.ua/
Процес ліофілізації вимагає дуже низького тиску — значно нижчого за атмосферний. Ліофілізацію використовують для консервації продуктів, приготування морозива, отримання сухих препаратів у медицині.
Дайте відповіді на наступні питання:
- Зверніть увагу ще раз на рис.5 Нижче якого значення повинен бути тиск? Чому вибрано саме це значення?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чим ліофілізація відрізняється від звичайного сушіння продуктів?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому ліофілізовані продукти можуть зберігатися довше за свіжі?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Як впливає видалення води на мікроорганізми? Що станеться з мікроорганізмами, якщо в зневоднений продукт потрапить у вологе середовище?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому ліофілізовані страви добре підходять для туристів?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Як ліофілізація використовується в медицині?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому деякі вакцини виготовляють у ліофілізованому вигляді й розчиняють безпосередньо перед введенням?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Уяви, що тобі потрібно розробити аптечку для космічної місії. Які медичні засоби доцільно ліофілізувати і чому?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Відповіді:
- При ліофілізації тиск повинен бути нижчим за 610 Па (6,1 мбар або ~0,006 атм) (потрійна точка).
- Під час ліофілізації не використовується висока температура, це дозволяє зберегти більше корисних речовин, структуру та смак продуктів.
- Тому що в них немає вологи, яка є середовищем для росту мікроорганізмів.
- Відсутність води припиняє життєдіяльність мікроорганізмів, тому вони не можуть викликати псування. Після додавання вологи деякі бактерії можуть “ожити” і відновити свою активність, тому продукти іноді потрібно обробляти додатково (наприклад, пастеризувати перед ліофілізацією або додавати консерванти).
- Вони легкі, компактні, не псуються без холодильника і швидко відновлюються водою.
- Ліофілізація використовується для зберігання ліків, вакцин, проб крові та тканин, які не можна піддавати високим температурам. Вітаміни, ферменти, антиоксиданти — особливо чутливі до температури — зберігаються краще, ніж при термічній обробці. Ліофілізовані антибіотики довше зберігають активність, можуть транспортуватися в сухому вигляді і активуються лише перед застосуванням (розчиненням).
- Тому що у сухому вигляді вакцини зберігаються значно довше без холодильника, а їх активні компоненти не розкладаються під впливом вологи або тепла.
- Варто ліофілізувати антибіотики, знеболювальні, гормональні препарати, пробіотики та навіть деякі вакцини — вони стають легкими, довговічними, не потребують охолодження й легко відновлюються водою.
Завдання №3
Крива BD на діаграмі станів води (рис.5) показує, за яких температур і тисків вода може бути або в твердому стані (лід), або в рідкому (вода). Ця крива — це лінія плавлення (замерзання) води. Зазвичай, при підвищенні тиску температура плавлення речовини зростає, але вода — виняток.
У води ця крива має негативний нахил, тобто чим вищий тиск — тим нижча температура плавлення льоду. Це означає, що лід може почати танути під тиском, навіть якщо загальна температура нижче 0 °C. Таку властивість має не багато речовин.
Джерело: https://ukrayinska.libretexts.org/
Це відіграє важливу роль у русі льодовиків. Вага льодовика створює великий тиск на лід внизу. Під цим тиском частина льоду плавиться й утворює тонкий шар води між льодовиком і землею. Ця вода зменшує тертя й дозволяє льодовику повільно ковзати.
Дайте відповіді на наступні питання:
- Чому тиск не завжди викликає танення льоду?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому ковзани краще ковзають по снігу, ніж звичайне взуття?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому на ковзанах ми можемо кататися по льодові, але не можемо по гладкому склу?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чи може ефект танення під тиском пояснити утворення підземних водних каналів або печер?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Відповіді:
- Тиск викликає танення лише в межах певних температур. Якщо температура дуже низька (наприклад, -30 °C), навіть високий тиск не спричинить танення, бо енергії недостатньо для фазового переходу.
- Через тиск, який створює вузька поверхня ковзанів, нижній шар снігу може частково розплавитись і утворити тоненький шар води. Ця вода діє як мастило, зменшуючи тертя — тому ковзання легше.
- Ми можемо ковзати на ковзанах по льоду, бо під тиском леза лід плавиться і утворює тонкий шар води, який зменшує тертя. Скло такої властивості не має — воно не плавиться під тиском і не створює “ковзкого” шару, тому ковзати по ньому неможливо.
- Так, у товщі льодовиків тиск викликає танення льоду і створення каналів, по яких рухається вода. Цей ефект впливає на формування тунелів, порожнин, а також на рух льодовиків.
Завдання №4
Уявімо, що ми взяли трохи води, помістили її в герметичну посудину (тобто таку, що не пропускає повітря) і видалили з неї усе повітря. Після цього залишили все при температурі 25 °C. У таких умовах частина води починає випаровуватися, а інша частина — конденсуватися назад у рідину. Через деякий час ці два процеси врівноважуються — так створюється динамічна рівновага між водяною парою і рідиною (у цей момент тиск водяної пари всередині становитиме приблизно 0,03 атмосфери).
Тепер почнемо повільно підвищувати температуру. Внаслідок цього все більше молекул води переходить у пару, а тиск пари зростає. Вода все ще існує у двох фазах — рідкій і газоподібній. Але коли температура досягає 374 °C (критична температура), а тиск — 218 атмосфер, відбувається щось особливе:
межа між рідиною та газом зникає. Вода переходить у так званий надкритичний стан. В такому стані підвищення температури вище критичної, жоден створений тиск не змусить речовину стати рідиною.
Тиск, необхідний для зрідження газу при його критичній температурі, називається критичним тиском. Критичні температури і критичний тиск деяких посилених речовин, наведені в табл. 3
Табл.3
| Речовина | Критична температура (K) | Критичний тиск (атм) |
|---|---|---|
| водню | 33.2 | 12.8 |
| азот | 126,0 | 33,5 |
| кисень | 154,3 | 49,7 |
| вуглекислий газ | 304.2 | 73.0 |
| нашатирний спирт | 405.5 | 111,5 |
| діоксид сірки | 430.3 | 77,7 |
| вода | 647,1 | 217,7 |
Вода в надкритичному стані має цікаві властивості:
- як газ, надкритична рідина заповнює весь об’єм посудини, в якій міститься.
- як рідина, вона має високу густину і може розчиняти тверді речовини, зокрема ті, що не випаровуються.
- має мінімальне значення поверхневого натягу — тобто може легко проникати в пори та тріщини.
- має дуже низьку в’язкість — тобто “тече” швидко, як газ.
- добре розчиняє інші речовини, особливо якщо підібрати правильні умови.
Наприклад, надкритичний вуглекислий газ став дуже популярним розчинником у харчовій промисловості, який використовується для безкофеїну кави, видалення жирів з картопляних чіпсів та вилучення смакових і ароматичних сполук з цитрусових масел. Він нетоксичний, відносно недорогий, і не вважається забруднювачем. Після використання СО 2 можна легко відновити, зменшивши тиск і збираючи отриманий газ.
Дайте відповіді на наступні питання:
- Чим надкритична рідина відрізняється від звичайного газу?
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому надкритичні рідини легко проникають у пори твердих матеріалів?
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому після зниження тиску надкритичний CO₂ легко переходить у газ і не забруднює продукт?
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Уяви, що ти хочеш отримати корисну речовину з рослинного матеріалу. Чому надкритичний CO₂ буде кращим за воду або спирт?
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Якщо ми струшимо вуглекислий вогнегасник у прохолодний день (18° C), ми можемо почути рідкий СО 2 , який падає в середній циліндр. Однак той самий балон, схоже, не містить рідини в спекотний літній день (35° C). Поясніть ці спостереження.
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Аміак можна розріджувати шляхом стиснення при кімнатній температурі; кисень не може бути зріджених в цих умовах. Чому два гази проявляють різну поведінку?
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Відповіді:
- Надкритична рідина заповнює посудину, як газ, але має високу густину, близьку до густини рідини. Тому вона краще розчиняє речовини, ніж звичайний газ.
- Бо вони мають низьку в’язкість (течуть легко) і майже не мають мінімальне значення поверхневого натягу, тому можуть проникати навіть у дуже дрібні отвори.
- Після зниження тиску CO₂ втрачає надкритичний стан, переходить у газоподібну форму і просто випаровується, не залишаючи домішок у продуктах.
- CO₂ у надкритичному стані краще проникає в рослинну тканину, швидко витягує потрібні речовини, не розчиняє зайвого (як вода), не залишає запаху чи домішок (як спирт), і не потребує нагрівання, яке може зруйнувати речовину.
- У прохолодний день температура СО2 нижче критичної температури СО2 , 304 К або 31° С (табл.3), тому рідкий СО2 присутній у циліндрах. У спекотний день температура СО2 більша за критичну температуру 31° С, вище цієї температури жодна кількість тиску не може знизити СО2 , тому у вогнегаснику не існує СО2 в рідкому стані.
- Критична температура аміаку 405,5 К, що вище кімнатної. Критична температура кисню нижче кімнатної температури; таким чином кисень не може бути зріджений при кімнатній температурі.
Дружня порада вчителю
Тривалість до 10 хв.
- Використовуючи діаграму стану СО2, наведену на рис.7, встановіть агрегатний стан СО2 при наступних температурах і тисках:
- −30 °C і 2000 кПа
- −60 °C і 1000 кПа
- −60 °C і 100 кПа
- 20° C і 1500 кПа
- 0 °C і 100 кПа
- 20° C і 100 кПа
Відповіді:
- рідина;
- тверда речовина;
- газ;
- рідина;
- газ;
- газ.
Джерело: https://ukrayinska.libretexts.org/
- Визначте фазові зміни, яких зазнає вуглекислий газ при зміні тиску, якщо температура підтримується на рівні -50 °C? Якщо температура підтримується на рівні -40 °C? При 25 °C (рис.7)?
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Рівень А: №1. a, b, c.
- Рівень В: повністю №1
- Рівень С: №1 і №2.
Відповідь:
Температура –50 °C:
- газом (при тиску менше ≈ 500 кПа),
- рідиною (понад ≈ 500 кПа),
- твердим тілом (при ще вищому тиску, понад ≈ 10⁴ кПа).
Отже, при збільшенні тиску:
газ → рідина → тверде
При зменшенні тиску:
тверде → рідина → газ
Температура –40 °C:
- газ при низькому тиску (менше ≈ 800 кПа),
- рідина (≈ 800 кПа – 30 000 кПа),
- тверде при ще вищому тиску.
Отже, фазові зміни такі ж, як і при –50 °C
Температура 25°C:
Це вже правіше від потрійної точки й нижче критичної точки. На графіку видно:
- тільки газ при тиску нижче ≈ 6000 кПа,
- рідина при тиску вище ≈ 6000 кПа.
Отже, фазові зміни при зміні тиску: газ ↔ рідина (перехід у тверду фазу неможливий при цій температурі)
Дружня порада вчителю
Тривалість до 2 хв.
“Стан настрою”
Якщо мій настрій після уроку — це агрегатний стан, то я:
- Твердий – усе зрозуміло, впевнений;
- Рідкий – частково зрозуміло, хочу потренуватися;
- Газ – багато питань, треба структурувати.
(Учні по черзі говорять хто вони зараз)
Дізнайтесь більше про застосування води та вуглекислого газу в надкритичному стані.
Урок 18. Фазові переходи
Мета уроку: сформувати в учнів цілісне уявлення про фазові переходи речовин та їх відображення на фазовій діаграмі, пояснювати фізичні процеси на її основі, а також показати практичне застосування знань у техніці, медицині та харчовій промисловості
Очікувані результати для учнівства:
Ключові слова:
- плавлення
- замерзання
- випаровування
- конденсація
- сублімація
- десублімація
- ліофілізація
- фазовий перехід
- потрійна точка
- критична точка
- надкритичний стан
- критична температура
- критичний тиск
План уроку:
- Мотиваційна частина
- Теоретичний блок
2.1. Фазові переходи
2.2. Діаграма стану - Практичний блок
- Попрактикуймо самостійно
- Рефлексія
Проблемне питання
Чи може вода одночасно існувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому та газоподібному?
Джерело: https://chatgpt.com/
Посилання на відео джерела:
Відео
Відео
Відео
2.1. Фазові переходи.
Ви знаєте, що речовина може перебувати у твердому, рідкому або газоподібному стані. У фізиці називають певні рівноважні стани речовини фазами. Перетворення речовини з одного стану в інший називають фазовими переходами.
Існує шість способів переходу речовини між агрегатними станами (фазами): плавлення, затвердівання (замерзання), випаровування, конденсація, сублімація та десублімація. Ці процеси є оборотними, і кожен перехід між фазами відбувається по-різному (рис.1).
Джерело: https://uk.wikipedia.org/
Зміна температури може вплинути на зміну фази речовини. Якщо помістити воду в морозильну камеру, то з часом вона перетвориться на лід.
Якщо кристалічне тіло помістити в контейнер, який розмістити над джерелом тепла, то тепло буде передаватися тілу. Температура підвищується, доки не досягне температури плавлення. При подальшій передачі тепла починається плавлення та тіло переходить в рідкий стан . При цьому фазовий перехід відбувається за сталого тиску.
Температура плавлення — це температура, за якої тверда кристалічна речовина плавиться, тобто переходить у рідкий стан. Кожна речовина має свою температуру плавлення (табл 1, значення вказані за нормального атмосферного тиску).
Табл.1
| Речовина | t, °C | Речовина | t, °C | Речовина | t, °C |
|---|---|---|---|---|---|
| Алюміній | 660 | Мідь | 1087 | Спирт | –115 |
| Водень | –256 | Нафталін | 80 | Срібло | 962 |
| Вольфрам | 3387 | Олово | 232 | Сталь | 1400 |
| Залізо | 1535 | Парафін | 55 | Титан | 1660 |
| Золото | 1065 | Ртуть | –39 | Цинк | 420 |
| Лід | 0 | Свинець | 327 | Чавун | 1200 |
Кожна речовина також має свою температуру кипіння ( табл 2, значення також вказані за нормального атмосферного тиску).
Табл.2
| Речовина | t, °C | Речовина | t, °C |
|---|---|---|---|
| Вода | 100 | Мідь | 2567 |
| Водень | –253 | Молоко | 100 |
| Гліцерин | 290 | Олія | 310 |
| Ефір | 35 | Ртуть | 357 |
| Залізо | 2750 | Свинец | 1740 |
| Кисень | –183 | Спирт | 78 |
Тиск також можна використовувати для зміни фази речовини (зміні агрегатного стану речовини). Уявіть контейнер з певним газом, оснащений поршнем, який герметично закриває контейнер. Коли поршень стискає газ, тиск зростає. Після досягнення точки кипіння газ конденсується в рідину. Коли поршень продовжує стискати рідину, тиск зростатиме, доки не буде досягнута точка плавлення. При подальшому стисканні (збільшенні тиску) рідина буде перетворюватися у тверду речовину. В цьому прикладі температура залишається незмінною, змінюється лише тиск. (вважаємо, що стінки контейнеру проводять тепло та внаслідок теплообміну з навколишнім середовищем, температура речовини в контейнері залишається незмінною)
2.2. Діаграма стану
Для того, щоб передбачити стан речовини за різних умов (температури і тиску), використовують фазові діаграми. На рис.2 наведено приклад фазової діаграми для загальної однокомпонентної системи:
Фазові діаграми відображають залежність тиску (зазвичай в атмосферах або кПа) від температури (зазвичай у градусах Цельсія або Кельвіна). Мітки на графіку представляють стабільні стани системи в рівновазі. Лінії представляють комбінації тисків і температур, за яких дві фази можуть існувати в рівновазі. Іншими словами, ці лінії визначають точки фазового переходу:
- червона лінія розділяє тверду та газову фази, представляє сублімацію (тверда фаза в газ) та десублімацію (газова фаза в тверду).
- зелена лінія розділяє тверду та рідку фази та представляє плавлення (тверда фаза в рідку) та затвердівання (рідка фаза в тверду).
- синя лінія розділяє рідку та газову фази, представляє пароутворення (рідка фаза в газ) та конденсацію (газова фаза в рідину).
На діаграмі також є дві важливі точки: потрійна точка та критична точка:
- потрійна точка являє собою комбінацію тиску та температури, при якій співіснують три стани речовини: газоподібний, рідкий та твердий.
- критична точка обриває лінію рідкої/газової фази та пов’язана з критичним тиском, тиском, вище якого утворюється надкритична рідина.
Джерело: https://ukrayinska.libretexts.org/
Для більшості речовин потрійна точка (де одночасно існують тверда, рідка і газоподібна фази) виникає при нижчих температурі й тиску, ніж ті, що ми зазвичай називаємо “стандартними умовами”. Натомість критична точка (після якої вже неможливо відрізнити рідину від газу) завжди розташована при вищому тиску, ніж стандартний.
Зазвичай лінія твердої/рідкої фази має позитивний нахил праворуч (як на діаграмі для вуглекислого газу, рис.3). Однак для води лінія має позитивний нахил ліворуч (як показано на діаграмі для води, рис.4). Це вказує на те, що рідка фаза має більшу густину, ніж тверда фаза. Розтопити лід можна просто застосовуючи тиск, не змінюючи температуру.
Джерело: https://ukrayinska.libretexts.org/
Завдання №1
Використовуючи діаграму стану води, наведену на рис.5, встановіть агрегатний стан води при наступних температурах і тисках:
- −10 °C та 50 кПа
- 25° C та 90 кПа
- 50 °C та 40 кПа
- 80° C та 5 кПа
- −10 °C та 0,3 кПа
- 50 °C та 0,3 кПа
Джерело: https://ukrayinska.libretexts.org/
Завдання №2
Ліофілізація (сублімаційне сушіння) — це сучасний метод консервації, під час якого продукт спочатку заморожують, а потім за умов вакууму випаровують з нього воду безпосередньо з твердого (льоду) у газоподібний стан, минаючи рідку фазу. Завдяки цьому з продукту ефективно видаляється волога, зберігаючи при цьому його форму, смак, колір і більшість корисних властивостей.
Найделікатнішою вважається вакуумна ліофілізація — вона дозволяє максимально зберегти поживні речовини, текстуру та аромат їжі, адже не передбачає використання високих температур, як це відбувається при традиційних методах сушіння.
Джерело: https://cacaomill.com.ua/
Процес ліофілізації вимагає дуже низького тиску — значно нижчого за атмосферний. Ліофілізацію використовують для консервації продуктів, приготування морозива, отримання сухих препаратів у медицині.
Дайте відповіді на наступні питання:
- Зверніть увагу ще раз на рис.5 Нижче якого значення повинен бути тиск? Чому вибрано саме це значення?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чим ліофілізація відрізняється від звичайного сушіння продуктів?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому ліофілізовані продукти можуть зберігатися довше за свіжі?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Як впливає видалення води на мікроорганізми? Що станеться з мікроорганізмами, якщо в зневоднений продукт потрапить у вологе середовище?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому ліофілізовані страви добре підходять для туристів?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Як ліофілізація використовується в медицині?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому деякі вакцини виготовляють у ліофілізованому вигляді й розчиняють безпосередньо перед введенням?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Уяви, що тобі потрібно розробити аптечку для космічної місії. Які медичні засоби доцільно ліофілізувати і чому?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Завдання №3
Крива BD на діаграмі станів води (рис.5) показує, за яких температур і тисків вода може бути або в твердому стані (лід), або в рідкому (вода). Ця крива — це лінія плавлення (замерзання) води. Зазвичай, при підвищенні тиску температура плавлення речовини зростає, але вода — виняток.
У води ця крива має негативний нахил, тобто чим вищий тиск — тим нижча температура плавлення льоду. Це означає, що лід може почати танути під тиском, навіть якщо загальна температура нижче 0 °C. Таку властивість має не багато речовин.
Джерело: https://ukrayinska.libretexts.org/
Це відіграє важливу роль у русі льодовиків. Вага льодовика створює великий тиск на лід внизу. Під цим тиском частина льоду плавиться й утворює тонкий шар води між льодовиком і землею. Ця вода зменшує тертя й дозволяє льодовику повільно ковзати.
Дайте відповіді на наступні питання:
- Чому тиск не завжди викликає танення льоду?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому ковзани краще ковзають по снігу, ніж звичайне взуття?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому на ковзанах ми можемо кататися по льодові, але не можемо по гладкому склу?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чи може ефект танення під тиском пояснити утворення підземних водних каналів або печер?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Завдання №4
Уявімо, що ми взяли трохи води, помістили її в герметичну посудину (тобто таку, що не пропускає повітря) і видалили з неї усе повітря. Після цього залишили все при температурі 25 °C. У таких умовах частина води починає випаровуватися, а інша частина — конденсуватися назад у рідину. Через деякий час ці два процеси врівноважуються — так створюється динамічна рівновага між водяною парою і рідиною (у цей момент тиск водяної пари всередині становитиме приблизно 0,03 атмосфери).
Тепер почнемо повільно підвищувати температуру. Внаслідок цього все більше молекул води переходить у пару, а тиск пари зростає. Вода все ще існує у двох фазах — рідкій і газоподібній. Але коли температура досягає 374 °C (критична температура), а тиск — 218 атмосфер, відбувається щось особливе:
межа між рідиною та газом зникає. Вода переходить у так званий надкритичний стан. В такому стані підвищення температури вище критичної, жоден створений тиск не змусить речовину стати рідиною.
Тиск, необхідний для зрідження газу при його критичній температурі, називається критичним тиском. Критичні температури і критичний тиск деяких посилених речовин, наведені в табл. 3
Табл.3
| Речовина | Критична температура (K) | Критичний тиск (атм) |
|---|---|---|
| водню | 33.2 | 12.8 |
| азот | 126,0 | 33,5 |
| кисень | 154,3 | 49,7 |
| вуглекислий газ | 304.2 | 73.0 |
| нашатирний спирт | 405.5 | 111,5 |
| діоксид сірки | 430.3 | 77,7 |
| вода | 647,1 | 217,7 |
Вода в надкритичному стані має цікаві властивості:
- як газ, надкритична рідина заповнює весь об’єм посудини, в якій міститься.
- як рідина, вона має високу густину і може розчиняти тверді речовини, зокрема ті, що не випаровуються.
- має мінімальне значення поверхневого натягу — тобто може легко проникати в пори та тріщини.
- має дуже низьку в’язкість — тобто “тече” швидко, як газ.
- добре розчиняє інші речовини, особливо якщо підібрати правильні умови.
Наприклад, надкритичний вуглекислий газ став дуже популярним розчинником у харчовій промисловості, який використовується для безкофеїну кави, видалення жирів з картопляних чіпсів та вилучення смакових і ароматичних сполук з цитрусових масел. Він нетоксичний, відносно недорогий, і не вважається забруднювачем. Після використання СО 2 можна легко відновити, зменшивши тиск і збираючи отриманий газ.
Дайте відповіді на наступні питання:
- Чим надкритична рідина відрізняється від звичайного газу?
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому надкритичні рідини легко проникають у пори твердих матеріалів?
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому після зниження тиску надкритичний CO₂ легко переходить у газ і не забруднює продукт?
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Уяви, що ти хочеш отримати корисну речовину з рослинного матеріалу. Чому надкритичний CO₂ буде кращим за воду або спирт?
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Якщо ми струшимо вуглекислий вогнегасник у прохолодний день (18° C), ми можемо почути рідкий СО 2 , який падає в середній циліндр. Однак той самий балон, схоже, не містить рідини в спекотний літній день (35° C). Поясніть ці спостереження.
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Аміак можна розріджувати шляхом стиснення при кімнатній температурі; кисень не може бути зріджених в цих умовах. Чому два гази проявляють різну поведінку?
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Використовуючи діаграму стану СО2, наведену на рис.7, встановіть агрегатний стан СО2 при наступних температурах і тисках:
- −30 °C і 2000 кПа
- −60 °C і 1000 кПа
- −60 °C і 100 кПа
- 20° C і 1500 кПа
- 0 °C і 100 кПа
- 20° C і 100 кПа
Джерело: https://ukrayinska.libretexts.org/
- Визначте фазові зміни, яких зазнає вуглекислий газ при зміні тиску, якщо температура підтримується на рівні -50 °C? Якщо температура підтримується на рівні -40 °C? При 25 °C (рис.7)?
- Рівень А: №1. a, b, c.
- Рівень В: повністю №1
- Рівень С: №1 і №2.
“Стан настрою”
Якщо мій настрій після уроку — це агрегатний стан, то я:
- Твердий – усе зрозуміло, впевнений;
- Рідкий – частково зрозуміло, хочу потренуватися;
- Газ – багато питань, треба структурувати.
(Учні по черзі говорять хто вони зараз)
Дізнайтесь більше про застосування води та вуглекислого газу в надкритичному стані.
Ділись та обговорюй важливе