Topnienie i krzepnięcie

około 12 minut

W tej lekcji1/12

Wrzuć kostki lodu do soku i włóż termometr. Napój schłodzi się do 0 °C i... utknie. Możesz czekać kwadrans — dopóki w szklance pływa choć okruch lodu, termometr wciąż pokazuje 0 °C. A przecież ciepłe powietrze z pokoju cały czas dogrzewa napój. Gdzie znika ta energia?

Topnienie i krzepnięcie

Topnienie. Przejście ze stanu stałego w ciekły: lód zamienia się w wodę, wosk w świecy staje się płynny, żelazo w hucie leje się jak zupa.

Temperatura topnienia — cecha rozpoznawcza substancji

Każda substancja ma swoją. Po temperaturze topnienia poznaje się materiał, tak samo jak po gęstości.

Dwie różne substancje, dwie różne granice topnienia

Substancja	Temperatura topnienia
lód (woda)	0 °C
ołów	327 °C
żelazo	ok. 1538 °C

Dla tej samej substancji temperatura krzepnięcia jest jej równa:

$t_{\text{topnienia}} = t_{\text{krzepnięcia}}$

Ołów topi się w 327 °C i w tej samej temperaturze zastyga.

Grzejemy, a termometr stoi w miejscu

To jest sedno całej lekcji. Podczas topnienia temperatura nie rośnie, choć ciało bez przerwy pobiera ciepło.

Lód ogrzewany równym płomieniem. Płaski odcinek to topnienie: termometr stoi na 0 °C, dopóki nie zniknie ostatni okruch lodu.

Dokąd idzie ciepło, skoro nie podnosi temperatury

Temperatura mówi o szybkości ruchu cząsteczek. Podczas topnienia ta szybkość się nie zmienia — dostarczana energia rozrywa wiązania, które trzymały cząsteczki w sztywnej siatce kryształu. Zmienia się ułożenie cząsteczek, a nie ich prędkość.

Przy krzepnięciu dzieje się to samo na odwrót: wiązania odtwarzają się i oddają energię do otoczenia. Dlatego marznąca woda przez cały czas trzyma 0 °C.

Co robią cząsteczki, gdy lód topnieje

1
Lód: cząsteczki uwięzione w siatce kryształu
Start: lód o temperaturze -10 °C. Cząsteczki tkwią w sztywnej siatce kryształu i tylko drgają wokół swoich miejsc. Grzejemy — drgają coraz mocniej, termometr idzie w górę.
$-10\ ^\circ\text{C} \rightarrow 0\ ^\circ\text{C}$
2
Przy 0 °C drgania są tak silne, że wiązania zaczynają puszczać. Termometr się zatrzymuje.
$t = 0\ ^\circ\text{C} = \text{const}$
3
Teraz każdy dostarczony dżul energii idzie na zrywanie kolejnych wiązań, a nie na rozpędzanie cząsteczek. Dlatego temperatura ani drgnie, choć palnik pracuje — to ten płaski odcinek z wykresu powyżej.
$Q \rightarrow \text{zrywanie wiązań}$
4
Woda: siatka rozerwana, cząsteczki przesuwają się obok siebie
Ostatni okruch lodu znika. Siatka kryształu jest rozerwana, cząsteczki mogą się przesuwać — to już woda. Dopiero teraz ciepło znów podnosi temperaturę.
$0\ ^\circ\text{C} \rightarrow 20\ ^\circ\text{C}$
Wskazówka
Zapamiętaj obraz: dopóki w szklance jest choć kawałek lodu, energia ma co rozrywać — i termometr stoi na 0 °C.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

W szklance pływa kilka kostek lodu w wodzie. Szklanka stoi w pokoju o temperaturze 22 °C już od dziesięciu minut, ale lód jeszcze się nie stopił do końca. Jaką temperaturę w °C pokazuje termometr zanurzony w tej wodzie?

Pułapka! Grzeję, więc musi się nagrzewać?

Błąd: skoro dostarczamy ciepło, to temperatura musi rosnąć.

Pułapka! Cukier w herbacie się nie topi

Błąd: mylenie topnienia z rozpuszczaniem.

Krzepnięcie w odlewni: to samo od drugiej strony

Ciekły ołów stygnący w formie. Płaski odcinek na 327 °C to krzepnięcie.

1
Roztopiony ołów o temperaturze 400 °C wlewamy do formy. Oddaje ciepło do zimniejszego otoczenia, więc termometr opada.
$400\ ^\circ\text{C} \rightarrow 327\ ^\circ\text{C}$
2
Przy 327 °C termometr staje. Cząsteczki układają się w siatkę kryształu, a odtwarzane wiązania oddają energię.
$t = 327\ ^\circ\text{C} = \text{const}$
3
Ta oddawana energia nadrabia ciepło uciekające do otoczenia, więc temperatura ani drgnie, dopóki cała porcja nie zastygnie.
$\text{odtwarzanie wiązań} \rightarrow Q \text{ oddane}$
4
Ostatnia kropla ciekłego ołowiu zastyga. Dopiero teraz gotowy odlew stygnie dalej.
$327\ ^\circ\text{C} \rightarrow 60\ ^\circ\text{C}$
Wskazówka
Prawie każda substancja przy krzepnięciu się kurczy — woda jest tu wyjątkiem, a dlaczego, wyjaśni lekcja o rozszerzalności temperaturowej.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Świeca pali się, a stopiony wosk spływa po boku i po chwili znów twardnieje. Wosk topi się w około 60 °C. W jakiej temperaturze zastyga?

Ściąga do zapamiętania

Co dzieje się z temperaturą podczas topnienia i krzepnięcia?

Topnienie to przejście ze stanu stałego w ciekły, krzepnięcie to proces odwrotny. Temperatura topnienia i krzepnięcia tej samej substancji są równe: lód 0 °C, ołów 327 °C, żelazo około 1538 °C. Podczas zmiany stanu skupienia temperatura NIE ROŚNIE, mimo że ciało cały czas pobiera ciepło — cała energia idzie na rozrywanie wiązań między cząsteczkami, a nie na rozpędzanie ich. Przy krzepnięciu wiązania odtwarzają się i energia wraca do otoczenia, więc termometr też stoi. Uwaga: rozpuszczanie (cukier w wodzie) to nie topnienie — tam potrzebna jest druga substancja, a nie temperatura topnienia.

Sprawdź się!

Grzejemy palnikiem garnek z lodem o temperaturze 0 °C. Co pokazuje termometr, dopóki nie stopi się ostatni kawałek lodu?

Dostarczamy lodowi ciepło, a termometr nie drgnie. Co dzieje się z tą energią?

Lód grzany równym płomieniem — tak zachowuje się termometr

Temperatura topnienia żelaza to około 1538 °C. W jakiej temperaturze ciekłe żelazo krzepnie?

Wsypujesz łyżeczkę cukru do gorącej herbaty i cukier znika. Co się z nim stało?

Słupek pokazuje temperaturę herbaty; kropka wyżej — temperaturę topnienia cukru

Kałuża zamarza w mroźną noc. Co dzieje się z temperaturą wody, dopóki nie zamarznie do końca?

Następny temat

Parowanie, wrzenie i skraplanie