Jevy v přírodě: Vysvětlení změn skupenství a související procesy

Přemýšleli jste někdy nad tím, proč se mají těstoviny připravovat ve vroucí vodě po určitou dobu? Jaký je zde fyzikální význam varu? Je to prosté: samotný var je z hlediska přípravy potravin zcela nepodstatný. Var nám v hrnci pouze zajišťuje stálou teplotu, která určuje dobu přípravy. Voda začne vařit při necelých 100 °C, a přestože je dál ohřívána na sporáku, tak její teplota již neroste. Veškeré dodávané teplo se spotřebuje na změnu skupenství - tedy uvolnění molekul vody z jejich vazeb. Je třeba dodat, že teplota varu závisí na tlaku vzduchu, který klesá s nadmořskou výškou, jak vidíme v tabulce. Ve větších nadmořských výškách je proto potřeba dobu přípravy patřičně prodloužit.

Závislost teploty varu vody na tlaku a nadmořské výšce

Prozkoumejme nyní podrobněji, co se při změnách skupenství s látkami děje. Pro krystalické látky je typická přesně definovaná teplota tání a teplota varu. Jak jsme ale viděli na příkladu vody, mohou tyto teploty záviset také na tlaku. Z toho vyplývá, že skupenství určité látky je dáno teplotou a tlakem. Chování dané látky za všech možných tlaků a teplot pak můžeme shrnout do grafu; nazývá se fázový diagram.

V diagramu vidíme, že voda za atmosférického tlaku se může vyskytovat v kapalném skupenství v rozumném rozsahu teplot. Snižováním tlaku se prostor pro kapalnou vodu postupně zužuje. Až při tlaku 612 Pa dojde ke splynutí teploty tání a varu. Tento bod, určený teplotou a tlakem, kdy se látka vyskytuje v rovnovážném stavu ve všech třech skupenstvích, nazýváme trojný bod.

Se změnami skupenství je to ještě trochu složitější, než jsme uvedli výše. Kapalná látka se může vypařovat i při nižších teplotách, než je teplota varu. Voda z jezer a moří se vypařuje, prádlo schne a také sníh a led může v atmosféře sublimovat (přecházet z pevného přímo do plynného skupenství). K vysvětlení těchto jevů nám opět poslouží atomová hypotéza. Zatímco při varu dochází k "hromadnému" přerušování vazeb mezi molekulami v celém objemu kapaliny, při vypařování nastává uvolňování vazeb jen na povrchu kapaliny. S rostoucí teplotou látky se zvyšuje pravděpodobnost, že náhodnými srážkami získají některé molekuly dostatečnou energii k přerušení vazeb. Změny skupenství vody v atmosféře jsou podstatné v meteorologii.

Změny vnitřní energie při změnách skupenství

Při tání nebo vypařování je třeba přerušit vazby mezi atomy (molekulami). Při opačných dějích (tuhnutí a kondenzaci) se naopak vazby vytvářejí. Fyzikálně to můžeme popsat tak, že při změně skupenství dochází ke změně vnitřní potenciální energie. To znamená, že například při tání dodáváme látce teplo, aniž se zvětšuje vnitřní kinetická energie, a tedy i její teplota. Naopak při tuhnutí látka teplo odevzdává, aniž se přitom ochlazuje. Změnu vnitřní potenciální energie spojenou se změnou skupenství dané látky nazýváme zkráceně skupenské teplo \(L\). Podobně jako teplo závisí skupenské teplo na množství látky. Proto se jako charakteristika dané látky používá měrné skupenské teplo \(l\). Platí:

Čtěte také: Klimatické změny a Česká republika

Skupenské teplo\(L=ml\)
\(m\) = hmotnost
\(l\) = měrné skupenské teplo (vlastnost látky)

Dobrou představu o změnách energie při změnách skupenství nám poskytne naše oblíbená voda.

Porovnejte skupenské teplo vody z tabulky s teplem potřebným k ohřátí 1 kg vody o 100 °C. Řešení:
\(Q= mc\cdot\Delta t = 1\cdot4180\cdot100\ \mathrm{J} = 418\ \mathrm{kJ}\).
Teplo potřebné k vypaření vody je skoro pětkrát větší než teplo potřebné k jejímu ohřátí z 0 °C na 100 °C!

Hodnoty měrného skupenského tepla pro konkrétní látky je možné vyhledat nebo změřit (můžete si to vyzkoušet v praktickém cvičení). Skupenské teplo hraje důležitou roli v mnoha přírodních procesech. Více se o tom dozvíte v galerii a příkladech.

V extrémních podmínkách, například v poušti při nízké vlhkosti vzduchu, může člověk vypotit kolem jednoho litru vody za hodinu. Určete výkon takového ochlazování.

Čtěte také: Jak se připravit na zimu

Řešení:Výkon ochlazování určíme jako podíl odebrané energie a času: \(P=L/t=ml/t=630\ \mathrm{W}\).

Měrné skupenské teplo vypařování závisí na teplotě, při které k němu dochází. Je vždy o něco větší než odpovídající skupenské teplo varu. Rozdíl je však poměrně malý (do 10 %) a v tomto příkladu nehraje velkou roli.

Povrchové napětí

Je možné vyjít z vody suchý? Ano, je třeba se potřít látkou, která vodu „odpuzuje“. Příkladem takové látky je např. parafín. Říkáme, že voda parafín nesmáčí. Dalším příkladem je rtuť, která se takto chová téměř ke všem pevným látkám. Voda se však nechová ke všem látkám stejně: kapka se na skle rozteče do tenké vrstvičky, ale na parafínu si zachová tvar koule. Stejně tak voda nepronikne peřím vodních ptáků a ti mohou snadno plavat po vodní hladině nebo se i potápět.

Tvar povrchu kapaliny je vždy kolmý k výslednici všech sil, které na molekuly kapaliny působí. Je tedy určen výslednicí přitažlivých sil, které působí jednak mezi částicemi kapaliny navzájem (síly soudržnosti), jednak mezi částicemi kapaliny a částicemi stěny nádoby (síly přilnavosti). Pokud jsou síly soudržnosti malé ve srovnání se silami přilnavosti, odpovídá zakřivení povrchu kapaliny a tvar je dutý.

Aby mohly kachny plavat na vodě, mají na svých pírkách vrstvičku tuku. Voda se nedostane do malých mezer mezi horní vrstvu pírek. Aby se tam dostala, musel by se mnohonásobně zvětšit povrch vodních kapiček. Tomu však brání povrchové napětí, které je relativně velké. Mezi pírky, která se nachází ve spodnějších vrstvách, zůstává mnoho vzduchu a ten pomáhá kachny nadnášet. Na obdobném principu fungují membrány typu Goretex. Obsahují v sobě mnoho mikroskopických dírek, které snadno propouštějí vzduch. Aby jimi mohla projít voda, musela by se rozprášit na malé kapičky.

Čtěte také: Znečištění vody a urbanizace

Kapilarita

Zakřivení volného povrchu kapaliny také pozorujeme v úzkých trubicích s kapalinou. Je-li průměr těchto trubic velmi malý (řádově mm), nazýváme tyto trubice kapiláry (z lat. capillus - vlas). V kapiláře zčásti zasunuté do kapaliny v široké nádobě buď vystoupí kapalina nad úroveň hladiny v nádobě - kapilární elevace (vytvářejí ve styku s kapilárou dutý povrch), nebo klesne pod tuto úroveň - kapilární deprese (vytvářejí vypuklý povrch). Oba jevy nazýváme souhrnně kapilarita.

Kapalina s nízkým povrchovým napětím v úzké kapiláře stoupá, a proto porézní materiály, jako je houba či hedvábný papír, nasávají vodu.

Kapilární jevy mají velký význam v praxi. Cukr, papír, cihly, dřevo dobře vsakují kapaliny - drobné póry uvnitř těchto látek tvoří kapiláry a díky elevaci dochází ke vzlínání kapaliny. Podobně v půdě se kapilárami dostává voda z hloubky do povrchových vrstev půdy, ve kterých jsou kořeny rostlin.

Petrolej má jednu špatnou vlastnost: po naplnění petrolejky, i přes dokonalé otření, se může stát, že za chvíli bude opět špinavá od petroleje. Důvodem je dobrá smáčivost petroleje a skla. Je-li hořák špatně přišroubovaný, vzlíná petrolej až na vnější povrch nádržky. Tuto schopnost petroleje můžeme i využít. Používá se při kontrole těsnosti zařízení či ke zjištění, zda nějaký kovový výrobek nemá neviditelné trhliny či póry. Takovou součást (třeba výkovek) ponoříme na chvíli do petroleje, pak pečlivě otřeme jeho povrch, natřeme např. bílým vápnem. Podobně jako petrolej, vzlíná velmi dobře také nafta. To je nepříjemné např. na lodích, které naftu přepravují.

Evapotranspirace rostlin a její vliv na klima

V horkém letním dni je nejlepším způsobem, jak se ochladit, koupel nebo pocení. Voda se odpařuje při teplotě nad 0 °C. Tento proces spotřebovává energii - teplo, což vede k místnímu ochlazení. Rostliny odpařují vodu z listů během evapotranspirace, čímž ochlazují své okolí. Čím slunečnější je den, tím je teplejší, tím více rostlina transpiruje (v půdě musí být k dispozici dostatek vody), a tím větší je množství spotřebované tepelné energie.

Rostliny potřebují vodu kvůli dvěma procesům: (a) fotosyntéza zahrnující štěpení vody a (b) transpirace, která odpařuje vodu z listů a vytváří podtlak v cévním systému rostliny. Díky podtlaku je rostlina schopna sát vodu spolu s živinami z půdy a tím krmit své buňky. Transpirace pohání celý metabolismus rostliny, která funguje jako solární čerpadlo. Jeden strom dokáže odpařit stovky litrů vody za horkého slunečného dne.

Jejich důležitou úlohou je nasávat vodu z hlubokých vrstev, které by jinak zůstaly pro ostatní organismy nedostupné. Díky svým kořenům mechanicky brání stékání vody, zejména na svahu.

Jaký chladicí efekt má trávník, keře, jednotlivé stromy nebo les? Mají vodní plochy (jako jezero, potok, řeka, moře) stejný chladicí efekt jako strom nebo les?

Během aktivity budou žáci měřit teplotní rozdíl své pokožky a různých venkovních povrchů - umělých povrchů, přírodních povrchů a rostlin. Žáci měří a zaznamenávají teplotu kůže vybraného žáka pomocí infračerveného teploměru. To samé místo na ruce poté navlhčete vodou a pokračujte v měření. Teplota místa klesá, ale postupně začíná opět stoupat.

Experiment: Transpirace rostlin

Vybídněte žáky, aby si připravili experiment představující transpiraci rostlin na příkladu živé větvičky uzavřené ve dvou plastových kelímcích nebo sklenicích. Pokud používáte plastové lahve, rozřízněte je na dva kusy ve výšce 15 cm od spodní části, abyste vytvořili kelímek a „čepičku“ pro větvičku. Potom naplňte kelímek vodou. Následně vyřízněte kruhový kus kartonu tak, aby přesně zakrýval horní část plastového kelímku/sklenice. Uprostřed kartonu vytvořte malý otvor tak, aby stonek větvičky prošel skrz do vody. Zastrčenou větvičku v kartonu oblepte lepicí páskou, aby se dírou v kartonu nemohla odpařovat voda do horního kelímku/sklenice. Větvičku přikryjte druhým kelímkem/sklenicí a spoj oblepíme lepicí páskou. Nyní máte vše připraveno a můžete se vrhnout na samotný pokus.

Nádoby s větvičkou uvnitř umístěte pod lampu nebo na slunné místo za oknem a nechte vše „pracovat“ několik hodin nebo počkejte do dalšího dne. V horní nádobě budou nahoře kapky kondenzované vody.

Výsledky pokusu lze sledovat až po několika hodinách, proto je vhodné začít tímto pokusem a uzavřít ho po skončení celé lekce.

Experiment: Ohřev hrnků různých barev

Cílem této aktivity je měřit rychlost ohřevu dvou různě zbarvených hrnků a měřit teplotu různých venkovních povrchů. Žáci zjistí, jak je teplo absorbováno v závislosti na barvách předmětů.

Umístíme dva hrnky, jeden černý a druhý bílý, před vypnutou lampu. Změříme aktuální teplotu hrnků. Zapneme lampu/umístíme hrnky na sluneční světlo a každou minutu po dobu 15 minut budeme měřit a zaznamenávat změnu teploty. Výsledky budeme zakreslovat do grafu.

Během slunečného a teplého počasí můžeme jít ven s teploměry a necháme žáky měřit povrchovou teplotu různých neživých předmětů - fasády, chodníku, automobilu, kamenů, písku.

Zamyslete se společně nad pravděpodobným dopadem albeda na klima města za horkého slunečného dne. Pomyslete na typickou barvu středomořských domů (například Řecko). Proč existují některá místa ve městě a v krajině, která jsou stále teplejší než jiná? Jaká by mohla být strategie k ochlazení městských oblastí?

Následně požádejte každou skupinu o prezentaci výsledků - graf zakreslený v pracovním listu nebo v excel souboru z experimentu s hrnky.

tags: #jevy #v #prirode #zmeny #skupenstvi #vysvětlení

Oblíbené příspěvky:

• Péče o morče doma
• Recenze ekologických krabiček
• Odpadové poplatky v Dolních Břežanech
• Co ovlivňuje klima a počasí?
• Zdroje a účinky radioaktivní kontaminace