Cele mai importante aspecte ale lecției
- Stările de agregare (Solid, Lichid, Gaz) se disting prin aranjamentul particulelor și tăria forțelor intermoleculare.
- Trecerea dintr-o stare în alta necesită un transfer de căldură (absorbție pentru Topire, Vaporizare, Sublimare; cedare pentru Solidificare, Condensare, Desublimare). Pe durata procesului, temperatura rămâne constantă.
- Temperatura de fierbere/topire poate fi modificată de presiunea mediului exterior.
- Dilatarea termică are loc la modificarea temperaturii. Lungimea variază după legea \( l = l_0(1 + \alpha \cdot \Delta t) \).
Starea de agregare a unei substanțe este determinată de libertatea de mișcare a particulelor sale și de intensitatea forțelor de interacțiune dintre acestea. Există trei stări clasice: solidă, lichidă și gazoasă.
| Caracteristică | Stare Solidă | Stare Lichidă | Stare Gazoasă |
|---|---|---|---|
| Formă și Volum | Formă proprie și volum propriu. | Iau forma vasului, au volum propriu. | Nu au formă proprie, nici volum propriu. |
| Particule și Forțe | Aranjament ordonat, forțe puternice. | Libertate de mișcare, forțe medii. | Dezordonate, forțe teoretic inexistente. |
| Compresibilitate | Incompresibile. | Practic incompresibile. | Compresibile (pot fi comprimate). |
Procesul prin care o substanță trece dintr-o stare de agregare în alta se realizează prin schimb de căldură cu mediul exterior. Căldura utilizată se numește căldură latentă (notată cu \( Q \)).
Schimbarea stării de agregare se face cu absorbție sau cu cedare de căldură, dar temperatura substanței nu se modifică pe parcursul procesului!
Procese cu absorbție de căldură (\( Q \) primit):
- Topirea: Trecerea din stare solidă în stare lichidă.
- Vaporizarea: Trecerea din stare lichidă în stare gazoasă. Poate fi evaporare (doar la suprafață, la orice temperatură) sau fierbere (în toată masa lichidului, la temperatură constantă).
- Sublimarea: Trecerea directă din stare solidă în stare gazoasă.
Procese cu cedare de căldură (\( Q \) cedat):
- Solidificarea: Trecerea din stare lichidă în stare solidă.
- Condensarea / Lichefierea: Trecerea din stare gazoasă în stare lichidă (condensare pentru substanțe lichide în mod natural; lichefiere pentru gaze).
- Desublimarea: Trecerea directă din stare gazoasă în stare solidă.
Temperatura la care se schimbă starea de agregare (de exemplu, temperatura de fierbere) depinde de presiunea exterioară. Dacă presiunea scade (ex. la altitudini mari), temperatura de fierbere a apei scade sub \( 100^\circ C \).
Circuitul apei este procesul continuu de mișcare a apei în hidrosferă, susținut de radiația solară (care produce evaporarea) și de gravitația terestră.
- Advecția: Deplasarea vaporilor de apă în plan orizontal prin atmosferă, datorată curenților de aer.
- Infiltrația: Pătrunderea apei de la suprafață în sol.
- Scurgerea: Mișcarea apei la suprafața sau în interiorul solului.
- Capilaritatea: Mișcarea pe verticală a apei din subteran.
- Intercepția prin foliaj: Apa din precipitații reținută de frunzele plantelor.
Dilatarea (creșterea dimensiunilor) și contractarea (scăderea dimensiunilor) reprezintă fenomenul de variație a dimensiunilor unui corp odată cu schimbarea temperaturii sale.
Proprietatea de modificare a dimensiunilor liniare este descrisă de coeficientul de dilatare termică liniară (\( \alpha \)). Unitatea de măsură în Sistemul Internațional este \( [\alpha]_{SI} = K^{-1} \).
Lungimea \( l \) a unei bare la o anumită temperatură \( t \):
\[ l = l_0(1 + \alpha \cdot \Delta t) \]
unde \( l_0 \) este lungimea inițială (la temperatura \( t_0 = 0^\circ C \)), iar \( \Delta t \) este variația de temperatură.
Pentru a preveni deformarea șinelor de cale ferată din cauza dilatării în zilele toride de vară, acestea se montează lăsându-se un spațiu liber între ele numit „rost”.
Probleme practice
Ușoară: Identificați fenomenul fizic prin care un cub de gheață lăsat la temperatura camerei se transformă în apă și precizați dacă acest proces necesită absorbție sau cedare de căldură.
Trecerea apei din starea solidă (gheață) în starea lichidă se numește topire.
Topirea este un proces care are loc cu absorbție de căldură (\( Q \) primit) din mediul exterior.
Topirea este un proces care are loc cu absorbție de căldură (\( Q \) primit) din mediul exterior.
Medie: Un fir metalic are o lungime inițială \( l_0 = 50 \text{ m} \) la temperatura de \( 0^\circ C \). Știind că are un coeficient de dilatare liniară \( \alpha = 2 \cdot 10^{-5} \text{ K}^{-1} \), calculați cu cât se va modifica lungimea sa (variația lungimii) dacă temperatura ajunge la \( 40^\circ C \).
Folosim formula dilatării liniare: \( l = l_0(1 + \alpha \cdot \Delta t) \).
Rescriem formula pentru a afla variația lungimii \( \Delta l = l - l_0 \):
\[ \Delta l = l_0 \cdot \alpha \cdot \Delta t \] Înlocuim datele problemei (\( \Delta t = 40^\circ C - 0^\circ C = 40^\circ C \)):
\[ \Delta l = 50 \cdot (2 \cdot 10^{-5}) \cdot 40 = 50 \cdot 80 \cdot 10^{-5} = 4000 \cdot 10^{-5} = 0.04 \text{ m} \] Răspuns: Lungimea firului va crește cu \( 0.04 \text{ m} \) (sau \( 4 \text{ cm} \)).
Rescriem formula pentru a afla variația lungimii \( \Delta l = l - l_0 \):
\[ \Delta l = l_0 \cdot \alpha \cdot \Delta t \] Înlocuim datele problemei (\( \Delta t = 40^\circ C - 0^\circ C = 40^\circ C \)):
\[ \Delta l = 50 \cdot (2 \cdot 10^{-5}) \cdot 40 = 50 \cdot 80 \cdot 10^{-5} = 4000 \cdot 10^{-5} = 0.04 \text{ m} \] Răspuns: Lungimea firului va crește cu \( 0.04 \text{ m} \) (sau \( 4 \text{ cm} \)).
Dificilă: O masă de apă lichidă este pusă într-un ibric pe foc constant. Observăm că temperatura crește treptat până la \( 100^\circ C \), moment în care apa începe să fiarbă puternic. Deși flacăra continuă să cedeze căldură ibricului, termometrul indică în continuare \( 100^\circ C \) până când toată apa dispare. Explicați de ce temperatura nu mai crește pe durata fierberii.
Pe parcursul fierberii are loc o schimbare de stare de agregare (vaporizare din toată masa lichidului).
Conform regulii fenomenelor termice de schimbare de stare, temperatura rămâne constantă pe durata procesului. Toată căldura primită de la flacără (căldura latentă) nu mai este folosită pentru a crește energia cinetică a particulelor (care s-ar traduce prin creșterea temperaturii), ci este folosită exclusiv pentru a rupe forțele de interacțiune dintre moleculele de lichid, transformând astfel lichidul în gaz.
Conform regulii fenomenelor termice de schimbare de stare, temperatura rămâne constantă pe durata procesului. Toată căldura primită de la flacără (căldura latentă) nu mai este folosită pentru a crește energia cinetică a particulelor (care s-ar traduce prin creșterea temperaturii), ci este folosită exclusiv pentru a rupe forțele de interacțiune dintre moleculele de lichid, transformând astfel lichidul în gaz.
