Καταστάσεις των υλικών

Τα υλικά ταξινομούνται ανάλογα στη φυσική κατάσταση τα οποία βρίσκονται σε στερεά, υγρά και αέρια.

Στη στερεή κατάσταση (s ή solid=στερεό) βρίσκονται το ξύλο, ο σίδηρος, το μάρμαρο κ.ά.
Στην υγρή κατάσταση (l ή liquid=υγρό) βρίσκονται το νερό, το πετρέλαιο, το οινόπνευμα, το λάδι κ.ά.
Στην αέρια κατάσταση (g ή gas=αέριο) βρίσκονται το οξυγόνο, το άζωτο, το διοξείδιο του άνθρακα, οι υδρατμοί κ.ά.

Αυτό που διακρίνει ένα υλικό σώμα στη φυσική κατάσταση του είναι ο όγκος και το σχήμα του.

—Στη στερεά κατάσταση το υλικό σώμα έχει καθορισμένη μάζα, καθορισμένο όγκο και καθορισμένο σχήμα.
—Στην υγρή κατάσταση το υλικό σώμα έχει καθορισμένη μάζα και καθορισμένο όγκο αλλά δεν έχει συγκεκριμένο σχήμα. Τα υγρά παίρνουν το σχήμα του δοχείου στο οποίο βρίσκονται.
—Στην αέρια κατάσταση το υλικό έχει καθορισμένη μάζα, αλλά ο όγκος και το σχήμα τους μεταβάλλονται. Ο όγκος και το σχήμα του είναι κάθε φορά ίδια με τον όγκο και το σχήμα του δοχείου που τα περιέχει.

Παράγοντες που καθορίζουν τη φυσική κατάσταση

Οι παράγοντες που καθορίζουν τη φυσική κατάσταση ενός υλικού είναι η θερμοκρασία και η πίεση.

Ένα υλικό μπορεί να μεταβαίνει από τη μια φυσική κατάσταση στην άλλη με μεταβολή της θερμοκρασίας, της πίεσης ή και τα δύο.

Παράδειγμα. Το νερό κάτω από σταθερή πίεση 1 atm για θερμοκρασίες κάτω από 0οC βρίσκεται στη στερεή κατάσταση (πάγος). Αν του αυξήσουμε τη θερμοκρασία πάνω από τους 0οC (αλλά μέχρι τους 100οC) μετατρέπεται σε υγρό νερό (υγρή κατάσταση) και αν του αυξήσουμε τη θερμοκρασία πάνω από 100οC μεταβαίνει στην αέρια κατάσταση (υδρατμοί). Συνεπώς το νερό μπορεί να βρεθεί και στις τρείς φυσικές καταστάσεις στερεό, υγρό και αέριο.

Παράδειγμα.  Το βουτάνιο σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και σε πίεση μιας ατμόσφαιρας είναι αέριο (βρίσκεται στην αέρια κατάσταση) Αν του αυξήσουμε την πίεση μετατρέπεται σε υγρό (θα βρεθεί στην υγρή κατάσταση). Πράγματι, το βουτάνιο που βρίσκεται στα γκαζάκια θέρμανσης είναι υγρό διότι βρίσκεται σε υψηλή πίεση. Όταν ανοίξουμε τη στρόφιγγα και διαφύγει στην ατμόσφαιρα όπου η πίεση είναι μικρότερη μετατρέπεται σε αέριο.

Μεταβολές της φυσικής κατάστασης των υλικών.

Α.  ΣΤΕΡΕΟ ↔ ΥΓΡΟ

*****Τήξη (στερεό → υγρό)

Το λιώσιμο του πάγου είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα μετατροπής από τη στερεή κατάσταση στη υγρή κατάσταση ενός υλικού. Έχουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Τήξη ονομάζουμε το φαινόμενο της μετατροπής της στερεάς κατάστασης ενός υλικού στην υγρή κατάσταση.

Μέσα σε ένα δοχείο τοποθετούμε παγάκια και με ένα θερμόμετρο παρακολουθούμε συνεχώς τη θερμοκρασία. Παρατηρούμε ότι όταν η θερμοκρασία φτάσει στους 0οC αρχίζει να λιώνει ο πάγος. Παρατηρούμε επίσης ότι μέχρι να γίνει ο πάγος όλος νερό (συνύπαρξη πάγου και νερού) η θερμοκρασία παραμένει ίδια και ίση με 0οC Η θερμοκρασία αυτή ονομάζεται σημείο τήξεως του πάγου. Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Σημείο τήξεως (Σ.Τ.) ενός στερεού υλικού ονομάζεται η σταθερή θερμοκρασία στην οποία τήκεται (λιώνει) το στερεό.

*****Πήξη (υγρό → στερεό)

Η πήξη του νερού με την μείωση της θερμοκρασίας του είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα μετατροπής από την υγρή κατάσταση σε στερεή. Έχουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Πήξη ονομάζουμε το φαινόμενο της μετατροπής της υγρής κατάστασης ενός υλικού στην στερεή κατάσταση.

Έχουμε σε ένα δοχείο με νερό και το τοποθετούμε στην κατάψυξη, ενώ συγχρόνως παρακολουθούμε συνεχώς τη θερμοκρασία του με ένα θερμόμετρο. Παρατηρούμε ότι όταν η θερμοκρασία του φτάσει τους 0οC αρχίζει να σχηματίζεται πάγος. Παρατηρούμε επίσης ότι η θερμοκρασία παραμένει η ίδια στους 0οC μέχρι όλο το νερό να γίνει πάγος. Η θερμοκρασία που συμβαίνει αυτό ονομάζεται σημείο πήξεως. Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Σημείο πήξεως (Σ.Π.) ενός υγρού υλικού, ονομάζεται η σταθερή θερμοκρασία στην οποία πήζει (στερεοποιείται) το υγρό.

Επισημάνσεις:
1] Κατά τη διάρκεια της τήξης ή της πήξης συνυπάρχει η στερεή και η υγρή κατάσταση.
2] Σε όλη τη διάρκεια της τήξης (ή πήξης) η θερμοκρασία είναι σταθερή και ίση με το σημείο τήξεως (ή σημείο πήξεως).
3] Το σημείο τήξεως ενός στερεού υλικού συμπίπτει με το σημείο πήξεως του υλικού της υγρής κατάστασης του.
4] Κάθε ουσία έχει την δική της χαρακτηριστική θερμοκρασία σημείου τήξεως ή πήξεως.

Β.  ΥΓΡΟ ↔ ΑΕΡΙΟ

*****Εξάτμιση, Βρασμός (υγρό → αέριο)

Είναι δυνατό ένα υγρό να μεταβεί στην αέρια κατάσταση με δυο τρόπους, την εξάτμιση και το βρασμό.

Γενικά το φαινόμενο της μετατροπής ενός υγρού στην αέρια κατάσταση ονομάζεται εξαέρωση.

Εξάτμιση

Αν αφήσουμε στα χέρια μας μια ποσότητα οινοπνεύματος που είναι υγρό, αυτή μετά από λίγο χρόνο θα εξατμιστεί μετατρεπόμενη σε αέριο. Σε αυτή την περίπτωση λέμε ότι το οινόπνευμα εξατμίστηκε. Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Εξάτμιση ονομάζεται το φαινόμενο μετατροπής ενός υγρού σε αέριο μόνο όταν πραγματοποιείται από την ελεύθερη επιφάνεια του υγρού.

Το φαινόμενο της εξάτμισης παρατηρείται σε όλα τα υγρά και μπορεί να γίνει σε οποιαδήποτε θερμοκρασία. Κάποια υγρά εξατμίζονται εύκολα σε χαμηλές θερμοκρασίες και ονομάζονται πτητικά, όπως π.χ. η βενζίνη, το οινόπνευμα, ενώ άλλα εξατμίζονται δύσκολα και ονομάζονται μη πτητικά όπως είναι π.χ. το λάδι.

Βρασμός

Μέσα σε ένα δοχείο βάζουμε νερό και το θερμαίνουμε ενώ ταυτόχρονα παρατηρούμε την θερμοκρασία του με ένα θερμόμετρο. Παρατηρούμε ότι όταν η θερμοκρασία του νερού φτάσει στους 100οC (σε πίεση 1 atm) αέριες φυσαλίδες βγαίνουν από όλη τη μάζα του υγρού νερού. Επίσης παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία παραμένει σταθερή στους 100oC μέχρι όλο το νερό να γίνει υδρατμός. Αυτό το φαινόμενο λέγεται βρασμός ή ζέση. Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Βρασμός ή ζέση ονομάζεται το φαινόμενο της μετατροπής ενός υγρού σε αέριο μόνο όταν πραγματοποιείται από όλη τη μάζα του υγρού με σχηματισμό φυσαλίδων.

Η σταθερή θερμοκρασία που συνυπάρχει υγρό και ατμός στο βρασμό λέγεται σημείο ζέσεως Σ.Ζ. η σημείο βρασμού Σ.Β. Έχουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Σημείο ζέσεως Σ.Ζ. ή σημείο βρασμού Σ.Β. ονομάζεται η σταθερή θερμοκρασία στην οποία βράζει το νερό.

*****Συμπύκνωση ή υγροποίηση (αέριο → υγρό)

Αν ψύξουμε τους υδρατμούς που είναι νερό στην αέρια κατάσταση, τότε σιγά σιγά θα σχηματιστεί νερό που είναι στην υγρή κατάσταση. Το φαινόμενο αυτό λέγεται συμπύκνωση ή υγροποίηση και η σταθερή θερμοκρασία στην οποία από την αέρια κατάσταση σχηματίζεται νερό ονομάζεται θερμοκρασία υγροποίησης. Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Συμπύκνωση ή υγροποίηση ενός αερίου ονομάζεται το φαινόμενο της μετατροπής του αερίου σε υγρό.

Σημείωση: Η υγροποίηση ενός αερίου μπορεί να γίνει με τη μείωση της θερμοκρασίας του δηλαδή με ψύξη ή με αύξηση της πίεσης του δηλαδή με συμπίεση.

Επισημάνσεις
1] Κατά τη διάρκεια του φαινομένου του βρασμού ή της συμπύκνωσης η αέρια και η υγρή κατάσταση συνυπάρχουν.
2] Σε όλη τη διάρκεια του βρασμού μέχρι όλο το υγρό να γίνει αέριο η θερμοκρασία είναι σταθερή και ίση με το σημείο ζέσεως.
3] Το σημείο ζέσεως και το σημείο υγροποίησης ενός υλικού συμπίπτουν.
4] Κάθε ουσία έχει τη δικιά της χαρακτηριστική θερμοκρασία σημείου ζέσεως.

Γ.  ΣΤΕΡΕΟ ↔ ΑΕΡΙΟ

*****Εξάχνωση (στερεό → αέριο)

Υπάρχουν στερεά υλικά που μεταβαίνουν στην αέρια κατάσταση κατευθείαν χωρίς να περάσουν από την υγρή κατάσταση. Παράδειγμα τέτοιου στερεού είναι η ναφθαλίνη που βάζουμε στα ρούχα, που με εξάχνωση μετατρέπεται στην αέρια κατάσταση και έτσι αισθανόμαστε αυτή την έντονη μυρωδιά της. Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Εξάχνωση ονομάζουμε το φαινόμενο της απευθείας μετατροπής ενός στερεού σε αέριο χωρίς να περάσει από την υγρή κατάσταση.

*****Απόθεση (αέριο → στερεό)

Μπορεί να γίνει και το αντίστροφο: ένα αέριο να μετατραπεί απευθείας σε στερεό. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται απόθεση. Για παράδειγμα, το χειμώνα όταν οι υδρατμοί της ατμόσφαιρας έρθουν σε επαφή με το έδαφος σχηματίζονται παγοκρύσταλλοι, η γνωστή μας πάχνη που είναι στερεό. Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Απόθεση ονομάζεται το φαινόμενο της απευθείας μετατροπής ενός αερίου σε στερεό, χωρίς να περάσει από την υγρή κατάσταση.

Πως επηρεάζει η πίεση το σημείο τήξεως  και το σημείο ζέσεως.

Γενικά παρατηρείται ότι όταν αλλάζει η πίεση το σημείο τήξεως και το σημείο ζέσεως (βρασμού) αλλάζει. Για το νερό στην επιφάνεια της θάλασσας όπου η πίεση είναι μια ατμόσφαιρα (1 atm) ο πάγος τήκεται στους 0oC και το νερό βράζει στους 100οC. Σε πιέσεις μεγαλύτερες από 1 atm το νερό βράζει σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από 100οC. Παράδειγμα, στη χύτρα ταχύτητας, που η πίεση φτάνει στις 10 atm, το νερό βράζει στους 120οC και έτσι έχουμε γρηγορότερο μαγείρεμα. Σε πιέσεις μικρότερες από 1 atm το νερό βράζει σε θερμοκρασία μικρότερη από 100οC. Παράδειγμα σε μεγάλα υψόμετρα όπως στην κορυφή του Ολύμπου που η πίεση είναι μικρότερη από 1 atm το νερό βράζει σε θερμοκρασία κάτω από τους 100οC.

Ποια η φυσική κατάσταση ενός υλικού σε πίεση 1 atm

Όταν κρατάμε την πίεση σταθερή ίση με 1 atm και μεταβάλουμε τη θερμοκρασία το υλικό θα βρίσκεται:

Στην στερεή κατάσταση όταν η θερμοκρασία του είναι μικρότερη από το σημείο πήξεως.
Στην υγρή κατάσταση όταν η θερμοκρασία του είναι μεταξύ του σημείου τήξεως και του σημείου ζέσεως
Στην αέρια κατάσταση όταν η θερμοκρασία του είναι μεγαλύτερη από το σημείο ζέσεως.