🧊

Καταστάσεις των Υλικών

Στερεά, υγρά, αέρια — τήξη, πήξη, βρασμός, υγροποίηση, εξάχνωση, απόθεση

Γιατί η χύτρα ταχύτητας μαγειρεύει πιο γρήγορα;

Μέσα στη χύτρα η πίεση είναι μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική, έτσι το νερό βράζει σε πάνω από 100 °C — και το φαγητό ψήνεται πιο γρήγορα. Στην κορυφή του Ολύμπου συμβαίνει το αντίθετο: το νερό βράζει κάτω από 100 °C. Η φυσική κατάσταση ενός υλικού εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την πίεση.

Στερεά, υγρά, αέρια

Στερεά (πάγος, μάρμαρο, σιδερένιο καρφί): ορισμένη μάζα, ορισμένος όγκος, ορισμένο σχήμα.
Υγρά (νερό, λάδι, βενζίνη): ορισμένη μάζα και ορισμένος όγκος, αλλά μεταβλητό σχήμα — παίρνουν το σχήμα του δοχείου.
Αέρια (υδρατμοί, οξυγόνο, διοξείδιο του άνθρακα): ορισμένη μάζα, αλλά μεταβλητός όγκος και σχήμα — γεμίζουν όλο το δοχείο.

Σύμβολα: στερεό $(s)$ από το solid, υγρό $(l)$ από το liquid, αέριο $(g)$ από το gas. Ο πάγος γράφεται $H_2O(s)$ , το υγρό νερό $H_2O(l)$ , ο υδρατμός $H_2O(g)$ .

Γρήγορος έλεγχος

Μεταγγίζεις $100\ \text{mL}$ χυμό από ένα ψηλό ποτήρι σε ένα πλατύ μπολ. Τι αλλάζει;

Τι καθορίζει τη φυσική κατάσταση

Θερμοκρασία: στους πόλους το νερό είναι κυρίως πάγος, στις τροπικές περιοχές υγρό και άφθονοι υδρατμοί.
Πίεση: το βουτάνιο στο γκαζάκι είναι υγρό επειδή βρίσκεται υπό μεγάλη πίεση· όταν βγει στην ατμόσφαιρα γίνεται αέριο.

Οι μεταβολές της φυσικής κατάστασης

Τήξη: στερεό → υγρό (λιώνει ο πάγος). Αντίστροφα, πήξη: υγρό → στερεό.
Βρασμός ή ζέση: υγρό → αέριο από όλη τη μάζα, σε ορισμένη θερμοκρασία.
Εξάτμιση: υγρό → αέριο μόνο από την επιφάνεια, σε κάθε θερμοκρασία (τα ρούχα στεγνώνουν στην απλώστρα).
Υγροποίηση ή συμπύκνωση: αέριο → υγρό (σταγόνες στο κρύο τζάμι).
Εξάχνωση: στερεό → αέριο απευθείας, χωρίς να γίνει υγρό (η καμφορά στη ντουλάπα «εξαφανίζεται»).
Απόθεση: αέριο → στερεό απευθείας (η πάχνη στα τζάμια του αυτοκινήτου).

Σημείο τήξεως και σημείο ζέσεως

Σημείο τήξεως (Σ.Τ.): η θερμοκρασία στην οποία ένα στερεό λιώνει.
Σημείο ζέσεως (Σ.Ζ.) ή σημείο βρασμού: η θερμοκρασία στην οποία ένα υγρό βράζει.

Για το νερό σε πίεση $1\ \text{atm}$ : Σ.Τ. $= 0\ ^\circ\text{C}$ , Σ.Ζ. $= 100\ ^\circ\text{C}$ . Όσο διαρκεί η τήξη ή ο βρασμός, η θερμοκρασία μένει σταθερή, όση θερμότητα κι αν δίνουμε.

Όταν αλλάζει η πίεση, αλλάζουν και τα Σ.Τ., Σ.Ζ.: στη χύτρα ταχύτητας (πίεση > 1 atm) το νερό βράζει πάνω από 100 °C, στον Όλυμπο (πίεση < 1 atm) κάτω από 100 °C.

$T < \text{Σ.Τ.} \Rightarrow (s) \qquad \text{Σ.Τ.} < T < \text{Σ.Ζ.} \Rightarrow (l) \qquad T > \text{Σ.Ζ.} \Rightarrow (g) \qquad (1\ \text{atm})$

Μέθοδος: σε ποια κατάσταση βρίσκεται;

Γράψε το Σ.Τ. και το Σ.Ζ. της ουσίας (σε 1 atm).
Βάλε τους τρεις αριθμούς σε σειρά πάνω σε μια νοητή αριθμογραμμή: Σ.Τ., Σ.Ζ. και τη θερμοκρασία $T$ που σε ενδιαφέρει.
$T$ πριν από το Σ.Τ. → στερεό· ανάμεσα → υγρό· μετά το Σ.Ζ. → αέριο.
Προσοχή στους αρνητικούς: το $-7$ είναι μεγαλύτερο από το $-20$ .

Παράδειγμα — τέσσερα υλικά στους 25 °C:

Α (Σ.Τ. 64 °C, Σ.Ζ. 1300 °C): στερεό, γιατί $25 < 64$ .
Β (Σ.Τ. −7 °C, Σ.Ζ. 59 °C): υγρό, γιατί $-7 < 25 < 59$ .
Γ (Σ.Τ. −165 °C, Σ.Ζ. −92 °C): αέριο, γιατί $25 > -92$ .
Δ (Σ.Τ. 98 °C, Σ.Ζ. 883 °C): στερεό, γιατί $25 < 98$ .

Παράδειγμα — καθημερινές μεταβολές:

Το ποτήρι με τον παγωμένο καφέ «ιδρώνει» → υγροποίηση των υδρατμών του αέρα πάνω στο κρύο τοίχωμα.
Τα ρούχα στεγνώνουν στον ήλιο → εξάτμιση.
Η ναφθαλίνη στη ντουλάπα μικραίνει χωρίς να λιώσει → εξάχνωση.
Το πρωί του χειμώνα τα τζάμια έχουν πάχνη → απόθεση.
Το κερί του κεριού στάζει και στερεοποιείται στο τραπέζι → τήξη και μετά πήξη.

Λυμένη άσκηση (τύπου διαγωνίσματος):

Δεδομένα: Οινόπνευμα (αιθανόλη): Σ.Τ. $= -114\ ^\circ\text{C}$ , Σ.Ζ. $= 78\ ^\circ\text{C}$ (σε 1 atm).

Ζητούμενο: Η φυσική κατάσταση στους (α) $25\ ^\circ\text{C}$ , (β) $-120\ ^\circ\text{C}$ , (γ) $90\ ^\circ\text{C}$ · (δ) τι δείχνει ένα θερμόμετρο όσο το οινόπνευμα βράζει.

Λύση:

(α) $-114 < 25 < 78$ → υγρό.

(β) $-120 < -114$ → στερεό.

(γ) $90 > 78$ → αέριο.

(δ) Όσο διαρκεί ο βρασμός η θερμοκρασία μένει σταθερή: 78 °C.

Απάντηση: υγρό, στερεό, αέριο· 78 °C σταθερά.

Γρήγορος έλεγχος

Ο υδράργυρος έχει Σ.Τ. $= -39\ ^\circ\text{C}$ και Σ.Ζ. $= 357\ ^\circ\text{C}$ . Σε ποια κατάσταση είναι στους $25\ ^\circ\text{C}$ ;

Γρήγορος έλεγχος

Στην κορυφή του Ολύμπου ζεσταίνεις νερό μέχρι να βράσει. Τι θα δείξει το θερμόμετρο;

Γρήγορος έλεγχος

Το φθινόπωρο η καμφορά που είχες βάλει στη ντουλάπα έχει εξαφανιστεί, χωρίς να αφήσει υγρό. Ποια μεταβολή έγινε;

Κόλπο μνήμης

Οι μεταβολές πάνε σε ζευγάρια αντιθέτων: τήξη ↔ πήξη, βρασμός/εξάτμιση ↔ υγροποίηση, εξάχνωση ↔ απόθεση. Και η εξ-άχνωση: το στερεό «βγάζει αχνό» κατευθείαν, χωρίς να περάσει από το υγρό.

Ήξερες ότι;

Στην κορυφή του Έβερεστ (8.849 m) η πίεση είναι περίπου το ένα τρίτο της κανονικής και το νερό βράζει γύρω στους 70 °C — γι' αυτό οι ορειβάτες δυσκολεύονται να βράσουν μακαρόνια. Υπάρχει και τέταρτη κατάσταση της ύλης, το πλάσμα: σε αυτή βρίσκονται ο Ήλιος, τα άστρα και ο κεραυνός.

Πρόκληση

Βάζεις πάγο στους $-10\ ^\circ\text{C}$ σε ένα δοχείο και τον θερμαίνεις σταθερά μέχρι να γίνει υδρατμός στους $110\ ^\circ\text{C}$ (σε 1 atm). Σχεδίασε νοερά το διάγραμμα θερμοκρασίας–χρόνου. Πόσα οριζόντια «σκαλοπάτια» θα έχει και σε ποιες θερμοκρασίες; Τι θα άλλαζε αν το πείραμα γινόταν στην κορυφή του Ολύμπου;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

Το διάγραμμα έχει 5 κομμάτια:

ο πάγος ζεσταίνεται από $-10$ σε $0\ ^\circ\text{C}$ (η γραμμή ανεβαίνει),
τήξη στους $0\ ^\circ\text{C}$ — 1ο οριζόντιο σκαλοπάτι,
το νερό ζεσταίνεται από $0$ σε $100\ ^\circ\text{C}$ ,
βρασμός στους $100\ ^\circ\text{C}$ — 2ο οριζόντιο σκαλοπάτι,
ο υδρατμός ζεσταίνεται ως τους $110\ ^\circ\text{C}$ .

Άρα 2 σκαλοπάτια, στους 0 °C και 100 °C: εκεί η θερμότητα «ξοδεύεται» για την αλλαγή κατάστασης, όχι για αύξηση θερμοκρασίας. Στον Όλυμπο η πίεση είναι μικρότερη, άρα το 2ο σκαλοπάτι θα ήταν χαμηλότερα από τους 100 °C.

Συνηθισμένα λάθη

Εξάτμιση = βρασμός. Η εξάτμιση γίνεται μόνο από την επιφάνεια και σε κάθε θερμοκρασία· ο βρασμός από όλη τη μάζα και σε ορισμένη θερμοκρασία.
«Ο λευκός ατμός πάνω από την κατσαρόλα είναι υδρατμός». Ο υδρατμός είναι αόρατος· το λευκό «σύννεφο» είναι μικροσκοπικά σταγονίδια νερού που έχουν ήδη υγροποιηθεί.
«Το νερό βράζει πάντα στους 100 °C». Μόνο σε πίεση 1 atm.
Σύγκριση αρνητικών: το $-7$ είναι μεγαλύτερο από το $-20$ — σχεδίασε αριθμογραμμή.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Στερεά: ορισμένος όγκος και σχήμα · υγρά: ορισμένος όγκος, μεταβλητό σχήμα · αέρια: μεταβλητός όγκος και σχήμα. Σύμβολα $(s)$ , $(l)$ , $(g)$ .
Η φυσική κατάσταση εξαρτάται από θερμοκρασία και πίεση.
Τήξη ↔ πήξη, βρασμός/εξάτμιση ↔ υγροποίηση, εξάχνωση ↔ απόθεση.
Σε 1 atm: κάτω από το Σ.Τ. στερεό, ανάμεσα υγρό, πάνω από το Σ.Ζ. αέριο. Νερό: 0 °C και 100 °C.
Κατά την τήξη και τον βρασμό η θερμοκρασία μένει σταθερή.

Στερεά, υγρά, αέρια

Στερεά (πάγος, μάρμαρο, σιδερένιο καρφί): ορισμένη μάζα, ορισμένος όγκος, ορισμένο σχήμα.

Υγρά (νερό, λάδι, βενζίνη): ορισμένη μάζα και ορισμένος όγκος, αλλά μεταβλητό σχήμα — παίρνουν το σχήμα του δοχείου.

Αέρια (υδρατμοί, οξυγόνο, διοξείδιο του άνθρακα): ορισμένη μάζα, αλλά μεταβλητός όγκος και σχήμα — γεμίζουν όλο το δοχείο.

Σύμβολα: στερεό

(s)

από το solid, υγρό

(l)

από το liquid, αέριο

(g)

από το gas. Ο πάγος γράφεται

H_2O(s)

, το υγρό νερό

H_2O(l)

, ο υδρατμός

H_2O(g)

Οι μεταβολές της φυσικής κατάστασης

Τήξη: στερεό → υγρό (λιώνει ο πάγος). Αντίστροφα, πήξη: υγρό → στερεό.

Βρασμός ή ζέση: υγρό → αέριο από όλη τη μάζα, σε ορισμένη θερμοκρασία.

Εξάτμιση: υγρό → αέριο μόνο από την επιφάνεια, σε κάθε θερμοκρασία (τα ρούχα στεγνώνουν στην απλώστρα).

Υγροποίηση ή συμπύκνωση: αέριο → υγρό (σταγόνες στο κρύο τζάμι).

Εξάχνωση: στερεό → αέριο απευθείας, χωρίς να γίνει υγρό (η καμφορά στη ντουλάπα «εξαφανίζεται»).

Απόθεση: αέριο → στερεό απευθείας (η πάχνη στα τζάμια του αυτοκινήτου).