KRIVULJA GRIJANJA: ŠTO JE, KAKO SE RADI, PRIMJERI - FIZIČKA - 2024

Krivulja grijanja je grafički prikaz o tome kako je temperatura uzorka varira kao funkcija vremena, imajući konstantan pritisak i dodavanje toplinu ravnomjerno, odnosno konstantnom brzinom.

Da bi se konstruirao graf ove vrste, uzimaju se parovi vrijednosti temperature i vremena koji se kasnije grabe stavljanjem temperature na okomitu os (ordinata) i vremena na vodoravnu os (apscisu).

Slika 1. Krivulja zagrijavanja tvari dobiva se dodavanjem topline i mjerenjem temperature u određenom vremenskom intervalu. Izvor: Pixabay.

Tada se na te eksperimentalne točke postavlja najprikladnija krivulja i na kraju se dobiva grafikon temperature T kao funkcija vremena t: T (t).

Koja je krivulja grijanja?

Tijekom zagrijavanja tvar slijedi kroz različita stanja: od krute tvari može postati para, gotovo uvijek prolazeći kroz tekuće stanje. Ti se procesi nazivaju promjenama stanja, pri čemu uzorak povećava svoju unutarnju energiju dok se dodaje toplina, što ukazuje na molekularnu kinetičku teoriju.

Kada dodate toplinu u uzorak, postoje dvije mogućnosti:

- Tvar povećava temperaturu, s obzirom na to da se njegove čestice miješaju s većim intenzitetom.

- Materijal prolazi kroz faznu promjenu, pri kojoj temperatura ostaje konstantna. Dodavanje topline ima učinak slabljenja u određenoj mjeri sile koje čestice drže zajedno, zbog čega je, na primjer, lako prijeći iz leda u tekuću vodu.

Na slici 2 prikazana su četiri stanja materije: kruta, tekuća, plinska i plazma te nazivi procesa koji omogućuju prijelaz između njih. Strelice označavaju smjer postupka.

Slika 2. Stanja materije i procesi potrebni za prolaz između jednog i drugog. Izvor: Wikimedia Commons.

-Državati promjene u tvari

Počevši s uzorkom u čvrstom stanju, kada se topi, prelazi u tekuće stanje, kada se isparava pretvara se u plin, a ionizacijom se pretvara u plazmu.

Krutina se može pretvoriti izravno u plin postupkom poznatim kao sublimacija. Postoje tvari koje se lako sublimiraju na sobnoj temperaturi. Najpoznatiji je CO ₂ ili suhi led, kao i naftalen i jod.

Dok se uzorak podvrgne promjeni stanja, temperatura ostaje konstantna sve dok ne dosegne novo stanje. To znači da ako, na primjer, imate dio tekuće vode koji je dostigao svoju ključ, njegova temperatura ostaje konstantna sve dok se sva voda ne pretvori u paru.

Zbog toga se krivulja zagrijavanja sastoji od kombinacije rastućih presjeka i horizontalnih presjeka, gdje potonji odgovaraju faznim promjenama. Jedna od tih krivulja prikazana je na slici 3 za određenu tvar.

Slika 3. Krivulja grijanja određene tvari, tipične konfiguracije na temelju stepenica i nagiba.

Tumačenje krivulje grijanja

U intervalima rasta ab, cd i ef tvar se nalazi kao kruta, tekuća i plina. U tim regijama povećava se kinetička energija, a s njom i temperatura.

Dok u bc mijenja svoje stanje iz krute u tekuću, zato dvije faze koegzistiraju. To se događa u dijelu u kojem se uzorak mijenja iz tekućeg u plin. Ovdje se potencijalna energija mijenja, a temperatura ostaje konstantna.

Također je moguć i obrnuti postupak, odnosno uzorak se može ohladiti da uzastopno usvoje druga stanja. U ovom slučaju govorimo o krivulji hlađenja.

Krivulje grijanja imaju isti opći izgled za sve tvari, mada naravno ne iste numeričke vrijednosti. Nekim tvarima treba više vremena nego drugima da se promijene stanje, a one se tope i isparavaju na različitim temperaturama.

Ove točke su poznate kao talište i vrelište, te su svojstva svake tvari.

Zato su krivulje grijanja vrlo korisne, jer označavaju brojčanu vrijednost tih temperatura za milijune tvari koje u krugu i kao atmosferskom tlaku postoje kao krute tvari i tekućine.

Kako napraviti krivulju zagrijavanja?

U principu, to je vrlo jednostavno: jednostavno stavite uzorak tvari u spremnik s miješalicom, umetnite termometar i ravnomjerno zagrijavajte.

Istovremeno, na početku postupka, aktivira se štoperica i s vremena na vrijeme se bilježe odgovarajući pari temperatura-vrijeme.

Izvor topline može biti plinski plamenik, s dobrom brzinom grijanja ili električnim otporom koji prilikom zagrijavanja emitira toplinu, a koji se može povezati s promjenjivim izvorom kako bi se postigle različite snage.

Radi veće preciznosti u laboratoriji za kemiju široko se koriste dvije tehnike:

- Diferencijalna toplinska analiza.

- Diferencijalna kalorimetrija skeniranja.

Usporeduju temperaturnu razliku između ispitivanog uzorka i drugog referentnog uzorka s visokom temperaturom taljenja, gotovo uvijek aluminijskim oksidom. Pomoću ovih metoda lako je pronaći točke tališta i vrenja.

Primjeri (voda, željezo…)

Razmotrimo krivulje grijanja za vodu i željezo prikazane na slici. Vremenska skala nije prikazana, međutim odmah je potrebno razlikovati temperature taljenja za obje tvari koje odgovaraju točki B svakog grafa: za vodu 0 ° C, za željezo 1500 ° C.

Slika 4. Krivulje grijanja za vodu i željezo.

Voda je univerzalna tvar i raspon temperatura potreban da bi se vidjela njena promjena stanja lako je postići u laboratoriju. Mnogo su više temperature potrebne za željezo, ali kao što je gore spomenuto, oblik grafa ne mijenja se bitno.

Taljenje leda

Pri zagrijavanju uzorka leda, prema grafikonu smo u točki A, na temperaturi nižoj od 0 ° C. Primjećuje se da temperatura raste konstantnom brzinom do 0 ° C.

Molekule vode unutar leda vibriraju s većom amplitudom. Jednom kada se dosegne temperatura taljenja (točka B), molekule se mogu kretati jedna ispred druge.

Energija koja stiže ulaže se u smanjenje privlačne sile između molekula, tako da temperatura između B i C ostaje konstantna dok se sav led ne rastopi.

Pretvaranje vode u paru

Nakon što je voda potpuno u tekućem stanju, vibracije molekula ponovno se povećavaju, a temperatura se brzo povećava između C i D do točke ključanja od 100 ° C. Između D i E temperatura ostaje na toj vrijednosti dok energija koja stiže osigurava da sva voda u spremniku isparava.

Ako sva vodena para može biti sadržana u spremniku, može se nastaviti zagrijavati od točke E do točke F, čija granica nije prikazana na grafu.

Uzorak željeza može proći kroz te iste promjene. Međutim, s obzirom na prirodu materijala, rasponi temperature su vrlo različiti.

Reference

1. Atkins, P. Načela kemije: putovi otkrića. Uredništvo Médica Panamericana. 219-221.
2. Chung, P. Krivulje grijanja. Oporavak od: chem.libretexts.org.
3. Krivulje grijanja. Toplina fuzije i isparavanja. Oporavak od: wikipremed.com.
4. Hewitt, Paul. 2012. Konceptualna fizička znanost. 5.. Ed Pearson. 174-180.
5. University of Valladolid. Stupanj kemije, oporavio: lodging.uva.es.