STANY SKUPIENIA MATERII

Stan gazowy i ciekły

MATERIAŁ

Działanie

środowiska

Odpowiedź
materiału

WŁAŚCIWOŚĆ

ŚRODOWISKO

Co to jest właściwość materiału?

BETON

Działanie

środowiska

Rozpuszczanie

BRAK

KWASOODPORNOŚCI

KWAS

P.Łukowski, 2

P.Łukowski, 3

Ile znamy stanów skupienia materii?

-

kryształ

-

kryształ plastyczny

-

kryształ condis

-

ciało amorficzne

-

ciekły kryształ

-

ciecz izotropowa

-

faza nadciekła

-

ciecz nadkrytyczna

-

gaz

-

plazma

-

plazma neutronowa

-

plazma kwarkowa (stan hipotetyczny)

-

... ?

P.Łukowski, 4

W praktyce budowlanej występują trzy

tradycyjne stany skupienia:

- gazy,

- ciecze,

- ciała stałe.

GAZ

CIECZ

skraplanie

parowanie

CIAŁO

STAŁE

krzepnięcie

topnienie

resublimacja

sublimacja

Charakterystyka stanów skupienia materii

Cecha

Gaz

Ciecz

Ciało stałe

Zmiana kształtu

+

+

-

Zmiana objętości

+

-

-

Uporządkowanie
struktury wewnętrznej

Brak

Częściowe,
lokalne,
chwilowe

Całkowite lub
prawie całkowite

Defekty struktury
wewnętrznej

Całkowite
zdeformowanie

Bardzo liczne

Nieliczne

Odległości między
cząsteczkami

Bardzo duże

Duże

Małe

Siła wiązań
międzycząsteczkowych

Bardzo mała

Średnia

Duża

Przestrzenne
ukierunkowanie
właściwości

Izotropowe

± Izotropowe

Anizotropowe

P.Łukowski, 5

P.Łukowski, 6

Stan gazowy

Gaz doskonały:

- cząsteczki to punkty materialne o zerowej objętości,

- całkowity brak oddziaływań międzycząsteczkowych,

- zderzenia cząsteczek są doskonale sprężyste.

Prawo Boyle’a-Mariotta:

pV = const (przemiana izotermiczna, T = const)

czyli p

↑⇔

V

↓

, p

↓⇔

V

↑

Prawa stanu gazowego

(dla gazu doskonałego)

Prawo Charlesa:

V/T = const (przemiana izobaryczna, p = const)

czyli V

↑⇔

T

↑

, V

↓⇔

T

↓

Prawo Amontona:

p/T = const (przemiana izochoryczna, V = const)

czyli p

↑⇔

T

↑

, p

↓⇔

T

↓

P.Łukowski, 7

Prawo Avogadra:

w warunkach normalnych (p = 0,1 MPa, T = 273 K)

1 mol (tj. 6,023⋅10

23

cząsteczek lub atomów) gazu

zajmuje objętość ok. 22,4 dm

3

Prawa stanu gazowego

(dla gazu doskonałego)

Równanie stanu gazowego:

pV = nRT

n – liczba moli gazu, R – stała gazowa

P.Łukowski, 8

P.Łukowski, 9

Równanie stanu gazu rzeczywistego

(Van der Waalsa)

poprawka na ciśnienie
wewnętrzne (oddziaływania
międzycząsteczkowe)

poprawka na
objętość cząsteczek

P.Łukowski, 10

Siły spójności cieczy

Rodzaj cieczy

Wiązania I

rzędu

Wiązania

II rzędu

Przykład

Ciecze
niepolarne
(cząsteczki
niebiegunowe)

Atomowe

Van der
Waalsa

Benzyna

Ciecze polarne
(cząsteczki
dipolowe)

Atomowe
spolaryzowane

Van der
Waalsa,
wodorowe

Woda

Stopione sole

Jonowe

-

Stopione krzemiany
w piecu cementowym

Stopione metale Metaliczne

-

Surówka żelaza

Stan ciekły

P.Łukowski, 11

Stan ciekły

Cząsteczki mogą tylko nieznacznie oddalać się od
siebie, ale mogą się przesuwać względem siebie.

Opór przesuwania warstewek cieczy ≡ lepkość, czyli
tarcie wewnętrzne.

Miarą lepkości jest siła niezbędna do poruszania
warstwy cieczy o powierzchni 1 m

2

z prędkością 1 m/s

w stosunku do drugiej warstwy, oddalonej o 1 m.

P.Łukowski, 12

Lepkość a temperatura

Lepkość prawie wszystkich cieczy maleje ze
wzrostem temperatury.

Wzrost temperatury ⇒ wzrost energii kinetycznej
cząsteczek ⇒ wzrost odległości między cząsteczkami

Wyjątek: ciecze ulegające pod wpływem temperatury
przemianom chemicznym, np. polimeryzacji.

Lepkość a temperatura

Siarka

P.Łukowski, 13

Napięcie powierzchniowe

Powierzchnia cieczy w kontakcie z inną fazą (stałą,
gazową lub ciekłą) zachowuje się jak sprężysta błona.

W ujęciu ilościowym:

Napięcie powierzchniowe = energia przypadająca na
jednostkę powierzchni ≡ praca potrzebna do
rozciągnięcia powierzchni o tę jednostkę.

P.Łukowski, 14

Roztwory i rozpuszczanie

P.Łukowski, 15

Roztwór ≡ układ jednofazowy, składający się z substancji
rozpuszczonej i rozpuszczalnika; rozproszenie substancji
rozpuszczonej jest na poziomie cząsteczkowym (< 1 nm).

Etapy rozpuszczania ciała stałego w cieczy:
- niszczenie sieci krystalicznej
- solwatacja (w przypadku wody – hydratacja)
- dyfuzja cząstek rozpuszczonych (cząsteczek, jonów) w
głąb fazy ciekłej

Krystalizacja

Krystalizacja to proces odwrotny do rozpuszczania.
Etapy krystalizacji:
- powstawanie zarodków krystalizacji
- wzrost kryształu
- dyfuzja cząstek substancji rozpuszczonej do fazy stałej,
a cząstek rozpuszczalnika w kierunku przeciwnym

P.Łukowski, 16

Rozpuszczalność ciał stałych w cieczach

Rozpuszczalność większości ciał stałych w cieczach

wzrasta

ze wzrostem temperatury.

P.Łukowski, 17

Rozpuszczalność ciał stałych w cieczach

Rozpuszczalność większości ciał stałych w cieczach

wzrasta

ze wzrostem temperatury.

Wyjątki ważne w budownictwie!

• Wapno gaszone Ca(OH)

2

• Gips półwodny CaSO

4

⋅½H

2

O i dwuwodny CaSO

4

⋅2H

2

O,

anhydryt CaSO

4

P.Łukowski, 18

Rozpuszczalność ciał stałych w cieczach

Roztwór nasycony ≡ roztwór będący w równowadze z
substancją rozpuszczaną (po dodaniu kolejnej porcji
substancji rozpuszczanej pozostanie ona nierozpuszczona).

Jeśli w trakcie rozpuszczania zachodzi

AB ⇔ A

+

+ B

-

to iloczyn rozpuszczalności L = c

A

+ ⋅ c

B

-

W roztworze nasyconym L = const (T = const)

Dodanie innej substancji o wspólnym jonie

AB ⇔ A

+

+ B

-

CB ⇔ C

+

+ B

-

spowoduje przekroczenie L i krystalizację substancji AB
(efekt wspólnego jonu).

P.Łukowski, 19

Rozpuszczalność gazów w cieczach

Rozpuszczalność wszystkich gazów w cieczach

maleje

ze wzrostem temperatury.

P.Łukowski, 20