Fazni prelazi. Čvrsto, tečno i gasovito stanje i kako na njih utiču temperatura, pritisak.

U postu o endotermnim i egzotermnim procesima sam vam nacrtao kristalnu rešetku. Supstance koje su čvrste imaju kristalnu rešetku, neke pravilnu kao što sam nacrtao neke malo manje pravilnu, ali poenta je da je supstanca čvrsta jer su molekuli i atomi međusobom povezani i ne mogu da se kreću (samo osciluju) i zato je ta sipstanca čvrsta. Ako su molekuli međusobom povezani ali ipak mogu da imaju translatorno kretanje (translatorno kretanje možete zamisliti kao bisernu ogrlicu gde su biseri molekuli)  onda imamo tečno stanje. A ako imamo slobodne molekule koji među sobom ne uspostavljaju trajnje veze onda imamo gasovito stanje.

Naravno, probaću to da vam malo približim. Zamislimo sto za bilijar sa kuglicama na njemu a da su kuglice molekuli. Molekuli imaju kinetičku energiju, odnosno energiju zbog koje se konstantno kreću. Sto (za bilijar) možemo da posmatramo kao posudu u kojoj se nalaze naši molekuli. Ako molekuli (kuglice) imaju kinetičku energiju, tj. stalne se kreću, kuglice će se haotično kretati po stolu, sudatati se međusobno i sa zidom stola (posude). To je u stvari primer gasovitog stanja. Tečno stanje bi bilo kada bi smo povezali kanapom (kao navedena biserna oglica, odnosno vise bisernih ogrlica), kuglice (molekuli) bi se kretali, ali bi imali ograničeno kretanje, jer bi morali za sobom da "vuku" i ostale kuglice. To bi donekle predstavljalo tečno stanje. Čvrsto stanje bi bilo kada bi smo kuglice spojili metalnim tankim cevima, te se one ne bi kretale (u čvrstom stanju, molekuli osciluju).

To bi bio neki prost primer, koji naravno služi samo da vam dočara, nije baš precizan i detaljan.

Zato gasovi zauzimaju celokupnu zapreminu posude u kojoj se nalaze, jer molekuli nisu ograničeni vezama te se kreću sve dok ne udare u zid posude ili u drugi molekul. Čvrste supstance imaju stalnu zapreminu i oblik (ukoliko ne primenimo fizičku silu na njih i ukoliko ih ne posmatramo u praškastom obliku) jer su molekuli povezani čvrstim vezama. Tečnosti imaju stalnu zapreminu jer su molekuli povezani, ali zauzimaju oblik posude jer te veze nisu čvrste kao kod čvrstih supstanci.

Promenom temperature.

Rekli smo da molekuli imaju energiju, ako zagrevamo molekule mi im dajemo kinetičku energiju, a kako je kinetička energija, energija kretanja, zagrevanje izaziva molekule da se kreću. Ako imamo gas, gde se molekuli haotično kreću, zagrevanjem odnosno dodatkom kinetičke energije mi ćemo im još više povećati to haotično kretanje. Gas zagrevanjem ne menja svoje stanje ali menja pritisak. Pritisak je u stvari mera kolikom silom pritiskamo jedan metar kvadratni površine. Ako bi ste npr uzeli rukom i gurali kutiju po stolu, to bi vam plastično objasnilo pritisak. Ako smo imali gas pre nego što smo ga zagrejali, molekuli su udarali u zid posude i to je bila neka vrednost pritska. Kada smo zagrejali gas, molekuli su dobili energiju, postali su brži i jače udaraju u zid posude, to znači da sada imamo povećanje pritiska. Dakle, povećanje temperature izaziva povećanje pritiska kod gasova. Ako pak, hladimo gas, molekuli gube kinetičku energiju i time pada pritisak. Dakle, smanjenje temperature izaziva opadanje pritiska.

Međutim, ukoliko nastavimo da hladimo gas, molekuli će sve više i više početi da usporavaju, do jednog trenutka kada će molekuli početi da se približe jedni drugima i da uspostave međumolekulska privlačenja i time pređu u tečno stanje, odnosno gas će preći u tečno stanje. Naime, molekuli u gasu se sudaraju i imaju potencijal da se privuku i naprave međumolekulsko privlačenje, ali kako imaju previše veliku kinetičku energiju, oni se odvajaju i ne prelaze u tečno stanje. To postižemo kada im smanjimo tu kinetičku energiju, odnosno smanjujemo temperaturu. Naravno, sada kada imamo tečnost ako je zagrevamo ona će ponovo preći u gasovito stanje jer povećavamo kinetičku energiju tih molekula i oni će imati dovoljnu energiju da se odvoje od susednih molekula i nastaje gasovito stanje. Molekuli u tečnosti imaju manji pritisak nego dok su u gasovitom stanju, jer molekuli opet imaju manju kinetičku energiju. Ako nastavimo da hladimo tečnost će preći u čvrsto, opet jer molekuli gube kinetičku energiju. Čvrsto stanje je krajnje stanje u koje neka materija može preći, molekuli imaju toliku energiju da samo osciluju. Da bi smo zaustavil i to oscilovanje morali bi smo da ohladimo supstancu na -273 ˚C i ta temperatura se naziva apsolutna nula.

Čvrsto stanje praktično i nema pritisak, jer molekuli nemaju kretanje kako bi udarali u zid posude. Zagrevanjem, čvrsto stanje prelazi u tečno, po istoj logici kao i prethodno navedeno.

Promena zapremine.

Hajde sada da zamislimo da imamo gasovitu materiju u zatvorenoj posudi i da počinjemo da smanjujemo zapreminu te zatvorene posude npr. da nam je posuda zatvoren šrpic i povećanje zapremine vršimo povlačenjem klipa na dole (slika 1).

 

Slika 1.    gasovito stanje                                  tečno stanje                                              čvrsto stanje

Šta se dešava, imamo gasovitu supstancu sive boje. Ako krenemo da pomeramo klip na gore mi smanjujemo zapreminu odnosno povećavamo pritisak. Molekuli koji se haotično kreču se sada suočavaju sa sve manjom zapreminom po kojoj mogu da se kreću, sve česće se sudaraju, pribižavaju se jedni drugima i usled toga uspostavljaju međumolekulska privlačenja i prelaze u tečno stanje (drugi "špric" napunjen plavom bojom, odnosno tečnošću). To je praćeno oslobađanjem toplote, tj špric se zagreje jer molekuli odaju kinetičku energiju kako bi iz haotičnog kretanja prešli u mirnije stanje, odnosno u tečno stanje. Dakle povećanje pritiska dovodi do prelaska gasovitog u tečno stanje. Ako bi smo sada pak smanjili pritisak, tečnost bi prešla u gasovito stanje, odnosno u početno stanje jer molekuli više nisu uslovljeni malo zapreminom, ali da bi prešli u gasovito stanje morali bi da povećaju svoju kinetičku energiju. To postižu tako što bi uzeli toplotu iz okoline (oko šprica) a to bi se manifestovalo tako što bi se špric ohladio.

Ako nastavimo da kod tečnog stanja i dalje povećavamo pritisak, molekuli se sve više i više približavaju jedni drugima, primorani su da zauzmu sve manji prostor, do trenutka kada tečnost prelazi u čvrsto stanje (zelenom bojom obojeno). Smanjenje pritiksa bi dovelo do prelaska čvrste supstance u tečnost, tečnost dalje u gas.

Prelazak čvrstog u tečno se naziva topljenje, tečnog u gasovito se naziva isparavanje. Prelazak gasovitog stanja u tečno se naziva kondezacija, a tečnog stanja u čvrsto se naziva mržnjenje. Ovi procesi kada jedno stanje tj faza prelazi u drugo stanje odnosno fazu se naziva faznim prelazima.

Postoje supstance koje mogu da "preskoče" prelazak u tečno stanje, odnosno da iz čvrstog pređu odmah u gasovito stanje što se zove sublimacija i iz gasovitog u čvrsto što se zove resublimacija.

Sem gasovitog, čvrstog i tečnog stanja postoji i stanje koje se zove plazma stanje, ali smatram da vam razumevanje tog stanja nije trenutno neophodno.