Olomuodon muutokset
Olemme tähän mennessä käsitelleet kiinteiden aineiden, nesteiden ja kaasujen ominaisuuksia, mutta emme vielä ole juurikaan puhuneet siitä mitä tapahtuu kun aine muuttuu olomuodosta toiseen.
Kolmen arkisen olomuodon välillä on kuusi mahdollista muutosta, joista neljä on meille tutumpia ja kaksi hieman vieraampia. Esimerkiksi jäät sulavat vesilasissa ja vesi höyrystyy kattilassa. Ilmassa olevaa ilmankosteutta voi lämpimällä ilmalla tiivistyä lasin ulkopintaan ja pakkaseen laitettuna se jähmettyy jääksi.
Mahdollisia ovat myös olomuodonmuutokset suoraan kiinteästä aineesta kaasuksi tai toisinpäin. Esimerkiksi ”kuivajääksi” kutsuttu kiinteä hiilidioksidi sublimoituu suoraan kaasuksi noin −78,5º C lämpötilassa normaalipaineessa. Kuivajäätä käytetään esimerkiksi ruoan säilytyksessä silloin kun mekaaninen jäähdytys ei ole käytännöllistä. Olet varmasti joskus törmännyt ilmaa raskaampaan savumaisesti leijailevaan hiilidioksidiin säilytettävien ruokien lähellä. Sublimoituva aine sekoittuu turvallisesti muuhun ilmaan, eikä jäljelle jää siivottavaa nestettä.
Kaikille tuttu esimerkki härmistymisestä, eli kaasun muuttumisesta suoraan kiinteäksi aineeksi, on pakkassäillä esiintyvä kuura. Kuurassa härmistyvä vesihöyry muodostaa kauniita kristalleja esimerkiksi ikkunalaseihin ja puiden lehtiin.
Videolla näkyy sekä hiilidioksidin sublimoitumista että veden härmistymistä:
Faasikaavio
Aineen olomuoto riippuu sen lämpötilasta ja paineesta. Esimerkiksi 90-asteinen vesi on maanpinnan tasolla nestemäistä, mutta Mt. Everestin huipulla vesihöyryä. Olomuodon riippuvuus olosuhteista nähdään aineen faasikaaviosta. Faasilla tarkoitetaan aineen homogeenisia osa-alueita: esimerkiksi nestemäinen vesi ja siinä kelluvat jääpalat ovat kaksi eri faasia. Olomuodonmuutoksissa faasi vaihtuu, joten olomuodonmuutos on yksi esimerkki faasimuutoksesta.
Faasikaavio on kokeellisesti määritetty (T, p)-kuvaaja, joka kertoo meille missä faasissa aine on missäkin olosuhteissa silloin kun se on termodynaamisessa tasapainossa. Siitä voidaan siis lukea aineen olomuoto muissakin kuin normaaliolosuhteissa. Faasikaavio jakautuu aineen kiinteään, nestemäiseen ja kaasumaiseen osaan sekä näitä erottaviin käyriin.
• Kiinteän ja nesteen välisellä käyrällä aine joko sulaa tai jähmettyy. Tätä kutsutaan sulamiskäyräksi.
• Nesteen ja kaasun välisellä käyrällä aine joko höyrystyy tai tiivistyy. Tätä kutsutaan höyrystymiskäyräksi.
• Kiinteän ja kaasun välisellä käyrällä aine joko sublimoituu tai härmistyy. Tätä kutsutaan sublimoitumiskäyräksi.
Esimerkiksi sokeripalan liukeneminen veteen on faasimuutos, mutta ei olomuodonmuutos.
Jos ollaan jollakin näistä käyristä, voi ainetta tasapainossa olla useammassa kuin yhdessä faasissa. Esimerkiksi höyrystymiskäyrällä ollessa Höyrystymiskäyrällä olevaa kaasua kutsutaan kylläiseksi kaasuksi. on ainetta tyypillisesti sekä nesteenä että kaasuna. Tästä syystä näitä käyriä kutsutaankin yhdessä tasapainokäyriksi.
Tasapainokäyrät kohtaavat yhdessä pisteessä, jota kutsutaan aineen kolmoispisteeksi, silloin ainetta voi olla kaikissa kolmessa olomuodossa. Kolmoispiste on nimensä mukaisesti yksi piste faasikaaviossa, eli sillä on yksi paineen arvo ja yksi lämpötila. Esimerkiksi veden kolmoispisteessä T = 273,16 K ja p = 611,7 Pa.
Katso video typen jähmettymisestä ja sen vaikutuksista:
Faasikaavion olleelliset osat.
Toinen faasikaavion erityispiste löytyy silloin, kun joku tasaarvokäyristä päättyy. Tällaista pistettä kutsutaan aineen kriittiseksi pisteeksi. Useimmiten höyrystymiskäyrä loppuu tiettyyn aineelle ominaiseen pisteeseen, jonka jälkeen nestettä ja kaasua ei voida enää erottaa toisistaan, vaan aine on niin kutsutussa ylikriittisessä tilassa. Esimerkiksi veden kriittinen piste löytyy kohdasta Tc = 647,1 K ja pc = 22,064 MPa.
Tasapainokäyrien muodosta voi päätellä aineiden erilaisia ominaisuuksia: esimerkiksi veden faasikaaviossa poikkeuksellista on sulamiskäyrän suunta. Toisin kuin useimmat muut aineet, vesi sulaa korkeassa paineessa alhaisemmassa lämpötilassa kuin matalassa paineessa. Tämä johtuu veden poikkeavasta ominaisuudesta: se on nesteenä tiheämpää kuin kiinteänä aineena.
Useimpien aineiden sulamiskäyrä osoittaa yläoikealle.
Veden sulamiskäyrä osoittaa ylävasemmalle. Kuvat ovat suuntaa-antavia.
Olomuodonmuutokset ja energia
Kun aine muuttuu olomuodosta toiseen, sen rakenneosasten väliset vuorovaikutukset muuttuvat. Kiinteissä aineissa rakenneosaset ovat tiiveimmin sitoutuneet toisiinsa, nesteissä tyypillisesti hieman heikommin ja kaasuissa vuorovaikutukset ovat heikkoja.
Jotta esimerkiksi kiinteän aineen voimakkaat sidokset saadaan rikottua, täytyy systeemiin tuoda paljon energiaa, joka näkyy aineen sisäenergian kasvuna. Tietyn aineen sulattamiseen tarvittavaa lämpömäärää kutsutaan aineen sulamislämmöksi ja painokiloa kohden mitattua suuretta aineen ominaissulamislämmöksi. Aineen höyrystyessä puhutaan höyrystymislämmöstä ja ominaishöyrystymislämmöstä. Suurin osa tarvittavasta lämpömäärästä kuluu rakenneosasten vuorovaikutusenergioiden muutoksiin, mutta erityisesti aineen höyrystyessä energiaa kuluu jonkin verran myös laajenemisessa tehtävään työhön.
Aineen höyrystäminen vaatii siis höyrystymislämmön verran energiaa ja sama määrä energiaa vapautuu, kun aine tiivistyy takaisin nesteeksi. Samoin aineen jähmettyessä kiinteäksi vapautuu sulamislämmön verran energiaa. Sekä sulamislämpöä että höyrystymislämpöä merkitään lämpömäärän symbolilla Q ja niiden suuruudet voidaan laskea ominaissulamislämmön s tai ominaishöyrystymislämmön r avulla:
Q = sm tai Q = rm,
missä m on aineen massa.
Jos haluat ennustaa esimerkiksi energian, joka tarvitaan tietyn vesimäärän muuttamiseen −10º C jäästä 120º C asteiseksi vesihöyryksi, täytyy sinun ottaa huomioon 5 eri vaihetta:
1. Jää täytyy lämmittää veden sulamispisteeseen. Tähän tarvitset jään ominaislämpökapasiteetin.
2. Jää sulaa nestemäiseksi vedeksi (lämpötila pysyy vakiona). Tähän tarvitset veden ominaissulamislämmön.
3. Nestemäinen vesi lämmitetään kiehuvaksi. Tähän tarvitset nestemäisen veden ominaislämpökapasiteetin.
4. Vesi höyrystyy kaasuksi (lämpötila pysyy vakiona). Tähän tarvitset veden ominaishöyrystymislämmön.
5. Kaasu lämmitetään loppulämpötilaan. Tähän tarvitset vesihöyryn ominaislämpökapasiteetin.
Koko prosessiin tarvittava kokonaisenergia on näiden viiden energian summa. Jos kuljettaisiin vastakkaiseen suuntaan, vapautuisi vastaava määrä energiaa.
Äskeisen esimerkkiprosessin eri vaiheissa tarvittavissa lämpömäärissä huomionarvoista on niiden keskinäiset suuruudet. Verrataanpa lämpömäärää, joka tarvitaan nestemäisen vesikilon lämmittämiseen nollasta sataan asteeseen
energiaan, joka tarvitaan vesikilon höyrystämiseen
Tästä nähdään, että esimerkiksi saunan kiukaalle heitetyn veden lämpötilalla ei energian kannalta ole suurta merkitystä, sillä suurin osa lämmöstä kuluu joka tapauksessa höyrystämiseen.
Huomataan, että höyrystäminen vaatii huomattavasti enemmän energiaa kuin lämpötilan nosto. Tästä puolestaan voi päätellä, että nestemäisessä vedessä vesimolekyylien väliset sidokset ovat suhteellisen voimakkaita (niiden rikkominen vaatii paljon energiaa). Vastaava sulamislämpö on noin 333 kJ, joten jään ja nestemäisen veden välillä ero on pienempi.
Vallitsevat olosuhteet, erityisesti paine, vaikuttavat merkittävästi sekä sulamis- ja höyrystymislämpöihin, että ominaislämpökapasiteetteihin. Taulukkokirjoissa on useimmiten listattu normaalipaineessa mitatut arvot. Muissa olosuhteissa mitattuja arvoja löytyy internetin avulla, tai ne voidaan mitata kokeellisesti.
Esimerkki: Huoneenlämpöistä vettä (20º C) lämmitetään levyllä, jonka lämmitysteho on 800 W. Jos kattila unohtuu levylle, kuinka kauan kestää, että vesi on kokonaan höyrystynyt, kun sitä on alunperin kattilassa 1,5 kg?
Ratkaisu: Lasketaan ensin tarvittava kokonaisenergia. Energiaa tarvitaan veden lämmittämiseen ja sen höyrystämiseen, kokonaisenergia on näiden kahden summa:
Tämän avulla voidaan laskea lämmittämiseen kuluva aika, kun keittolevyn teho tunnetaan:
Vastaus: Vesi on kokonaan höyrystynyt noin 81 minuutin kuluttua.
Tehtävät
Klikkaa tehtävää nähdäksesi vastauksen.
1. Selitä ilmiöt härmistyminen ja sublimoituminen.
Härmistyminen on olomuodonmuutos, jossa aine muuttuu suoraan kaasusta kiinteäksi ilman nestemäistä välitilaa. Esimerkiksi voidaan puhua vesihöyryn härmistyvän kuuraksi auton tuulilasiin pakkasaamuina.
Sublimoituminen taas on olomuodonmuutos suoraan kiinteästä kaasuksi ilman nestemäistä välitilaa. Kun pyykkiä ripustetaan ulos kuivumaan pakkasella vesi sublimoituu suoraan vesihöyryksi ja pyykistä tulee kuivaa.
2. a) Nimeä faasikaavion alueet.
b) Osoita kaavioon sulamiskäyrä, höyrystymiskäyrä, sublimoitumiskäyrä, kolmoispiste ja kriittinen piste.
c) Faasikaavion punainen piste esittää tarkasteltavan aineen olomuotoa alkutilassa. Jos ainetta aletaan jäähdyttää, mitä aineen olomuodolle tapahtuu? Merkitse kaavioon.
d) Entä jos vallitsevaa painetta aletaan nostaa? Merkitse kaavioon.
Katso mallivastaukset.
3. Selitä lyhyesti käsitteet ominaissulamislämpö ja ominaishöyrystymislämpö.
Ominaissulamislämpö on se lämpömäärä, joka tarvitaan aineen sulamiseen sulamispisteessään. Tällöin aineen lämpötila ei muutu.
Ominaishöyrystymislämpö taas määritellään lämpömääräksi, joka tarvitaan höyrystämään haluttu määrä jotakin tiettyä ainetta. Tällöinkään ei aineen lämpötila muutu
4. Kuinka paljon energiaa kuluu 16 kiloisen raudasta valmistetun kahvakuulan sulattamiseen sen sulamispisteessä? Entä saman rautamäärän höyrystämiseen höyrystymispisteessä?
a) 4,4 MJ
b) 110 MJ
5. Vesikattila on unohtunut liedelle kiehumaan 1500 W teholla. Kuinka kauan kestää, että kattilassa oleva 1,5 kg vesi on kokonaan höyrystynyt?
38 min
6. Kahvikupillinen kiehuvaa vettä viedään -20 C talvipakkasella ulos. Kuinka paljon energiaa kahvikupista vapautuu ulkoilmaan, kun vettä on 2,0 dl ja kupin päällä on kansi, jolloin veden määrä kupissa ei muutu prosessin aikana?
150 kJ
7. Veden määrää huoneilmassa voidaan arvioida käyttämällä taulukkokirjan taulukkoa kylläisen vesihöyryn paineelle ja tiheydelle. Höyry on kylläistä silloin, kun sen tiheys ilmassa saa maksimiarvonsa. Arkikielessäkin käytetty termi suhteellinen kosteus tarkoittaa ilman sisältämän veden määrää prosentteina maksimimäärästä (maksimitiheydestä). Otetaan esimerkiksi huoneilman lämpötila on 20 °C ja suhteellinen kosteus 75%.
a) Kuinka paljon yhdessä kuutiometrissä ilmaa on vettä?
b) Kunka paljon 91 m³ :n huoneessa on vettä?
c) Huoneeseen tuodaan 1 kilo -13 celsiusasteista vettä. Kuinka paljon tarvitaan energiaa, jotta jääkappale saadaan kokonaan huoneilmaan?
a) 13 g
b) 1,5 kg
c) 3100 kJ.
8. Ohessa on havainnekuva kappaleen lämpötilan T ja siihen tuodun lämpömäärän Q riippuvuudesta. Selitä miksei riippuvuus ole täysin lineaarinen?
Katso mallivastaukset.
