KRZYWA GRZEWCZA: CO TO JEST, JAK TO SIĘ ROBI, PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2026

Krzywej grzewczej jest graficznym przedstawieniem jak temperatura próbki zmienia się w zależności od czasu, utrzymując stałe ciśnienie i dodając ciepło równomiernie, to jest, ze stałą szybkością.

Aby skonstruować wykres tego typu, pobierane są pary wartości temperatury i czasu, które są następnie wykreślane poprzez umieszczenie temperatury na osi pionowej (rzędnej) i czasu na osi poziomej (odciętych).

Rysunek 1. Krzywa grzewcza substancji jest uzyskiwana przez dodanie ciepła i pomiar temperatury w każdym określonym przedziale czasu. Źródło: Pixabay.

Następnie do tych punktów doświadczalnych dopasowuje się najbardziej odpowiednią krzywą i na koniec otrzymuje się wykres temperatury T w funkcji czasu t: T (t).

Jaka jest krzywa grzania?

Substancja, która jest podgrzewana, przechodzi kolejno przez różne stany: z ciała stałego może stać się parą, prawie zawsze przechodząc przez stan ciekły. Procesy te nazywane są zmianami stanu, w których próbka zwiększa swoją energię wewnętrzną podczas dodawania ciepła, na co wskazuje teoria kinetyki molekularnej.

Podczas dodawania ciepła do próbki istnieją dwie możliwości:

- Substancja podnosi swoją temperaturę, ponieważ jej cząsteczki są mieszane z większą intensywnością.

- Materiał przechodzi przemianę fazową, w której temperatura pozostaje stała. Dodanie ciepła osłabia do pewnego stopnia siły, które utrzymują cząsteczki razem, ułatwiając na przykład przejście z lodu do wody w stanie ciekłym.

Rysunek 2 przedstawia cztery stany skupienia materii: ciało stałe, ciecz, gaz i plazmę oraz nazwy procesów, które umożliwiają przejście między nimi. Strzałki wskazują kierunek procesu.

Rysunek 2. Stany materii i procesy niezbędne do przejścia między jednym a drugim. Źródło: Wikimedia Commons.

-Stan zmiany w substancji

Zaczynając od próbki w stanie stałym, po stopieniu przechodzi w stan ciekły, po odparowaniu zamienia się w gaz i poprzez jonizację zamienia się w plazmę.

Ciało stałe można przekształcić bezpośrednio w gaz w procesie znanym jako sublimacja. Istnieją substancje, które łatwo sublimują w temperaturze pokojowej. Najbardziej znanym jest CO ₂ lub suchy lód, a także naftalen i jod.

Podczas gdy próbka ulega zmianie stanu, temperatura pozostaje stała, aż do osiągnięcia nowego stanu. Oznacza to, że jeśli na przykład masz porcję wody w stanie ciekłym, która osiągnęła punkt wrzenia, jej temperatura pozostaje stała, aż cała woda zamieni się w parę.

Z tego powodu oczekuje się, że krzywa ocieplenia będzie złożona z kombinacji rosnących sekcji i odcinków poziomych, gdzie te ostatnie odpowiadają przemianom fazowym. Jedna z tych krzywych jest pokazana na rysunku 3 dla danej substancji.

Rysunek 3. Krzywa grzewcza danej substancji, z typową konfiguracją opartą na stopniach i nachyleniach.

Interpretacja krzywej grzewczej

W przedziałach wzrostu ab, cd i ef substancja występuje odpowiednio jako ciało stałe, ciecz i gaz. W tych regionach wzrasta energia kinetyczna, a wraz z nią temperatura.

Podczas gdy w pne zmienia swój stan ze stałego na ciekły, dlatego te dwie fazy współistnieją. Dzieje się to na odcinku, w którym próbka zmienia się z cieczy w gaz. Tutaj energia potencjalna się zmienia, a temperatura pozostaje stała.

Możliwa jest również procedura odwrotna, to znaczy próbkę można schłodzić, aby sukcesywnie przyjmować inne stany. W tym przypadku mówimy o krzywej chłodzenia.

Krzywe grzewcze mają ten sam ogólny wygląd dla wszystkich substancji, chociaż oczywiście nie mają takich samych wartości liczbowych. Niektóre substancje zmieniają stan dłużej niż inne i topią się i odparowują w różnych temperaturach.

Te punkty są nazywane odpowiednio temperaturą topnienia i temperaturą wrzenia i są charakterystyką każdej substancji.

Dlatego krzywe grzewcze są bardzo przydatne, ponieważ wskazują liczbową wartość tych temperatur dla milionów substancji, które istnieją jako ciała stałe i ciecze w zakresie temperatur uznawanych za normalne i przy ciśnieniu atmosferycznym.

Jak zrobić krzywą rozgrzewki?

W zasadzie jest to bardzo proste: wystarczy umieścić próbkę substancji w pojemniku wyposażonym w mieszadło, włożyć termometr i równomiernie podgrzać.

Jednocześnie na początku procedury włącza się stoper i od czasu do czasu odnotowuje się odpowiadające mu pary temperatura-czas.

Źródłem ciepła może być palnik gazowy o dobrej szybkości nagrzewania lub opór elektryczny, który po podgrzaniu emituje ciepło, który można podłączyć do zmiennego źródła w celu uzyskania różnych mocy.

Aby uzyskać większą precyzję, w laboratorium chemicznym szeroko stosowane są dwie techniki:

- Różnicowa analiza termiczna.

- Różnicowa kalorymetria skaningowa.

Porównują różnicę temperatur między badaną próbką a inną próbką odniesienia o wysokiej temperaturze topnienia, prawie zawsze tlenku glinu. Dzięki tym metodom łatwo jest określić temperaturę topnienia i wrzenia.

Przykłady (woda, żelazo …)

Weź pod uwagę krzywe grzewcze dla wody i żelaza pokazane na rysunku. Skala czasowa nie jest pokazana, jednak natychmiast rozróżnia się temperatury topnienia obu substancji, które odpowiadają punktowi B każdego wykresu: dla wody 0 º C, dla żelaza 1500 º C.

Rysunek 4. Krzywe grzewcze dla wody i żelaza.

Woda jest substancją uniwersalną, a zakres temperatur niezbędny do zaobserwowania zmian jej stanu jest łatwy do osiągnięcia w laboratorium. Dla żelaza wymagane są znacznie wyższe temperatury, ale jak wspomniano powyżej, kształt wykresu nie zmienia się zasadniczo.

Topniejący lód

Podczas ogrzewania próbki lodu zgodnie z wykresem znajdujemy się w punkcie A, w temperaturze poniżej 0 ° C. Obserwuje się, że temperatura rośnie ze stałą szybkością aż do osiągnięcia 0 ° C.

Cząsteczki wody w lodzie wibrują z większą amplitudą. Po osiągnięciu temperatury topnienia (punkt B) cząsteczki mogą już poruszać się przed sobą.

Energia, która przybywa, jest inwestowana w zmniejszenie siły przyciągania między cząsteczkami, więc temperatura między B i C pozostaje stała, aż cały lód się stopi.

Zamiana wody w parę

Gdy woda jest całkowicie w stanie ciekłym, wibracje cząsteczek ponownie rosną, a temperatura gwałtownie rośnie między C i D aż do temperatury wrzenia 100º C. Pomiędzy D i E temperatura pozostaje na tej wartości, podczas gdy energia, która dociera, zapewnia odparowanie całej wody w zbiorniku.

Jeśli cała para wodna może być zawarta w zbiorniku, może kontynuować ogrzewanie od punktu E do punktu F, którego granica nie jest pokazana na wykresie.

Próbka żelaza może przejść te same zmiany. Jednak biorąc pod uwagę rodzaj materiału, zakresy temperatur są bardzo różne.

Bibliografia

1. Atkins, P. Principles of Chemistry: The Paths of Discovery. Artykuł redakcyjny Médica Panamericana. 219-221.
2. Chung, P. Krzywe grzewcze. Odzyskane z: chem.libretexts.org.
3. Krzywe grzewcze. Ciepło topnienia i parowania. Odzyskany z: wikipremed.com.
4. Hewitt, Paul. 2012. Konceptualne nauki fizyczne. 5. Ed Pearson. 174-180.
5. Uniwersytet w Valladolid. Dyplom z chemii, odzyskany z: Lodging.uva.es.