2. Eri olomuodot



Aineen olomuotoja ovat kiinteä, nestemäinen ja kaasumainen. Olomuodot sekä niiden muutokset riippuvat aineesta, lämpötilasta, tilavuudesta ja paineesta.
 
 

wpeD.gif (4448 bytes)




Olomuodon muuttuessa aineen molekyylirakenne muuttuu. Tässä muutoksessa joko vapautuu tai sitoutuu energiaa.
 

Sulaminen

Kiinteän aineen lämmetessä sulamispisteeseen sen molekyylien lämpöliike tulee niin voimakkaaksi, että kiderakenne rikkoutuu. Tällöin aine sulaa. Atomien välinen vetovoima ei kuitenkaan päästä niitä etääntymään toisistaan, joten olomuoto muuttuu kiinteästä nesteeksi. Sulamisen aikana aineen lämpötila ei muutu, koska systeemiin tuotu lämpöenergia kuluu kiderakenteen rikkomiseen. Siten sulaminen vaatii energiaa. Vastaavasti aineen jähmettyessä molekyylit järjestyvät kiderakenteeseen, ja lämpöenergiaa vapautuu.
 
 

wpe27.gif
Vasemmalla kiinteän aineen, oikealla nesteen kaksiulotteinen molekyylimalli. Kiinteässä aineessa atomien väliset vuorovaikutukset sitovat atomit tai molekyylit kiinteisiin tasapainoasemiin. Lämpötilan noustessa molekyylien värähtely tasapainoasemansa suhteen tulee lopulta niin voimakkaaksi, että säännöllinen kiderakenne rikkoutuu. Tällöin aineen olomuoto muuttuu nesteeksi. Nesteessäkään atomien välinen vetovoima ei päästä molekyylejä etääntymään toisistaan. Jähmettyessään aine järjestyy takaisin kiderakenteeseen, ja energiaa vapautuu.

 

Sulamiseen tarvittava lämpömäärä riippuu aineesta ja aineen määrästä. Ominaissulamislämpö s määritellään ainemäärän, jonka massa on m, sulattamiseen tarvittavan lämpömäärän Q ja massan suhteena:
 
 








Nesteen jähmettyessä vapautuu yhtä suuri lämpömäärä kuin tarvittiin sen sulattamiseen.
 

Höyrystyminen

Kun neste lämpenee höyrystymispisteeseen, sen rakenneosasten lämpöliike voimistuu niin suureksi, että nopeimmat niistä pystyvät irtautumaan nesteen rakenneosasten välisestä vetovoimakentästä. Tällöin neste höyrystyy. Höyrystymisen aikana aineen lämpötila ei muutu, koska systeemiin tuotu lämpöenergia kuluu nestemolekyylien irrotustyöhön. Siten höyrystyminen vaatii energiaa. Vastaavasti höyryn tiivistyessä nesteeksi vapautuu energiaa.
 
 

Image20.gif (16639 bytes)wpe6.gif (1371 bytes)Image22.gif (6386 bytes)
Vasemmalla nesteen, oikealla kaasun kaksiulotteinen molekyylimalli. Nesteessä atomien välinen vetovoima ei päästä molekyylejä etääntymään toisistaan. Lämpötilan noustessa lämpöliike kasvaa kuitenkin niin voimakkaaksi, että nopeimmat molekyylit pystyvät irtautumaan nesteen rakenneosasten välisestä vetovoimakentästä.

 

 Kuten sulamisessa, myös höyrystymisessä tarvittava lämpömäärä riippuu aineesta ja aineen määrästä. Ominaishöyrystymislämpö r määritellään ainemäärän massan m ja höyrystymiseen tarvittavan lämpömäärän Q suhteena:

Image23.gif (1466 bytes)

Höyryn tiivistyessä nesteeksi vapautuva lämpömäärä on yhtä suuri se, joka tarvittiin kyseisen nestemäärän höyrystämiseen.

Sulattamiseen tarvittavaa lämpömäärää nimitetään sulamislämmöksi, höyrystymiseen tarvittavaa lämpömäärää höyrystymislämmöksi. Yhteiseltä nimeltään niitä kutsutaan latenttilämmöiksi (latentti = piilevä).
 

Faasikaaviot

Kaikilla aineilla on kolme olomuotoa: kiinteä, nestemäinen ja kaasumainen. Kulloinenkin olomuoto riippuu lämpötilasta ja paineesta. Aineen eri olomuotojen kuvaamiseen käytetään (T,p) koordinaatistoon piirrettyä faasikaaviota. Jokaiselle aineelle on oma faasikaavionsa, josta käy ilmi kyseisen aineen olomuoto tietyssä lämpötilassa ja paineessa sekä olomuodon muutosten riippuvuus lämpötilasta ja paineesta.
 
 

Hiilidioksidi:  Vesi:
Image24.gif (71514 bytes)
Vasemmalla hiilidioksidin, oikealla veden faasikaavio. Kaavioihin on merkitty kolmoispisteen ja kriittisen pisteen kohdalle kyseisiä pisteitä vastaavat lämpötilan ja paineen arvo.

 

Paineen SI-järjestelmän mukainen yksikkö on pascal (Pa). Sen lisäksi käytetään usein myös baaria (bar). Pascalit ja baarit voidaan muuntaa toisikseen niiden välisen riippuvuuden 1 bar = 100000 Pa  mukaisesti.

Mikäli lämpötila ja paine vastaavat jotain olomuotojen rajakäyrän pistettä, aine voi esiintyä kyseisissä olosuhteissa kummassakin olomuodossa. Kiinteän aineen ja nesteen välistä rajakäyrää nimitetään sulamiskäyräksi, nesteen ja kaasun välistä käyrää höyrystymiskäyräksi. Kiinteän aineen ja kaasun välistä rajakäyrää kutsutaan sublimoitumiskäyräksi. Rajakäyrät kohtaavat toisensa kolmoispisteessä. Kyseistä pistettä vastaavissa olosuhteissa aine voi esiintyä yhtä aikaa kaikissa kolmessa olomuodossaan. Kolmoispisteet ovat aineelle ominaisia ja puhtailla aineilla luonnonvakioita. Kuvan faasikaavioiden mukaisesti veden kolmoispiste (T,p) on piste (0,01 °C, 6 mbar) ja hiilidioksidin ( -57 °C, 5,2 bar).

Höyrystymiskäyrä päättyy kriittiseen pisteeseen. Kyseistä pistettä korkeammissa lämpötiloissa kaasu ei enää nesteydy puristamalla, sillä jos painekin on kriittistä pistettä korkeampi, ei kaasumaisen ja nestemäisen olomuodon välillä ole enää selvää rajaa. Tällaisessa tilassa olevan aineen olomuotoa nimitetään toisinaan juosteeksi tai fluidiksi.
 


Esim. 3
Kalorimetrissä on 300 g vettä lämpötilassa 18 °C. Siihen tuodaan 50,0 g jäärouhetta, jonka lämpötila on -2 °C. Millainen on systeemin saavuttama tasapainotila?
 
Kalorimetrin lämpökapasiteetti Image26.gif (1021 bytes).

Ratk.

Jään ominaislämpökapasiteetti Image27.gif (1120 bytes)  ja lämpötila Image28.gif (960 bytes).
Jään sulamislämpö Image29.gif (863 bytes)Image30.gif (1031 bytes).

Veden ominaislämpökapasiteetti Image31.gif (1137 bytes)  ja lämpötila Image32.gif (1000 bytes).

Olkoon systeemin loppulämpötila t.

Jään lämmittämiseksi sulamispisteeseen 0 ° C tarvitaan lämpömäärä:

Image33.gif (1820 bytes)

Koko jäämäärän sulattamiseen tarvittava lämpömäärä:

Image34.gif (1451 bytes)

Sulamisen jälkeen kalorimetrissä on vettä 50 g lämpötilassa 0 ° C ja 300 g lämpötilassa Image35.gif (859 bytes).

Lasketaan, paljonko kalorimetri ja 18 ° C vesi jäähtyivät luovuttaessaan jään lämpenemiseen ja sulamiseen tarvittavan lämpömäärän:

Image36.gif (1367 bytes)

toisaalta

Image37.gif (2406 bytes)

Siten lämpötilaksi Image38.gif (859 bytes) saadaan:

Image39.gif (1330 bytes)

Kalorimetri ja 300 g vettä, jonka lämpötila on 14,014 ° C, luovuttavat yhtä suuren lämpömäärän, kuin 50 g vettä, jonka lämpötila on 0 ° C, vastaanottaa:

Image40.gif (2180 bytes)
Image41.gif (2846 bytes)

Vast: Lopussa kalorimetrissä on 350 g vettä lämpötilassa 12,1 ° C.


Esim. 4
Kalorimetrissä on 200 g jäätä lämpötilassa -4 ° C. Sinne johdetaan 50 g höyryä, jonka lämpötila on 100 ° C. Millainen on systeemin saavuttama tasapainotila?
 
Kalorimetrin lämpökapasiteetti Image42.gif (1018 bytes).

Ratk.

Jään ominaislämpökapasiteetti Image43.gif (1120 bytes)  ja massa Image44.gif (994 bytes).

Jään sulamislämpö Image45.gif (1058 bytes).

Veden ominaislämpökapasiteetti Image46.gif (1137 bytes).

Veden höyrystymislämpö Image47.gif (1115 bytes) ja höyryn massa Image48.gif (999 bytes).

Kalorimetrin lämpökapasiteetti Image49.gif (1154 bytes).

Jään ja kalorimetrin lämmittämiseen sekä jään sulattamiseen tarvittava lämpömäärä:

.

Lämpömäärä, jonka höyry luovuttaa tiivistyessään vedeksi:

.

Kalorimetri ja 200 g vettä, jonka lämpötila on 0 ° C, lämpenevät lämpömäärän  verran. Muodostetaan tämän tiedon perusteella yhtälö, ja ratkaistaan siitä kyseisen lämpömäärän aikaan saama lämpötilan muutos Dt :

.

Kalorimetrissä on siten 200 g vettä lämpötilassa 50,144 ° C ja 50g vettä lämpötilassa 100 ° C. Vesimäärien välinen lämpötilaero tasoittuu, ja myös kalorimetrin lämpeneminen on huomioitava:


 
 
 

  Vast: Lopussa kalorimetrissä on 250 g vettä lämpötilassa 59,7 ° C.