IV. FENOMENE TERMICE.

IV.1. Stare termică. Temperatură. Echilibru termic.

IV.1.1. Stare termică. Temperatură.

Definiţie

Starea de încălzire a corpurilor se numește stare termică.

Omul poate aprecia starea de încălzire a corpurilor din mediul înconjurător cu ajutorul simţurilor sale. Numai că aceste aprecieri sunt subiective și numai calitative (rece, foarte rece, cald, foarte cald).

În anumite împrejurări, aprecierile simțurilor noastre pot fi chiar imprecise (sau false). Cunoşti, de exemplu, când eşti la mare şi vrei să intri în apă, la început apa îţi pare rece. După ce te-ai obişnuit cu apa, vei spune că apa este caldă.

Experiment

1. Apa de la robinet este şi rece şi caldă!


Materiale necesare: trei farfurii adânci (caserole), apă foarte rece (apă cu câteva cuburi de gheaţă), apă rece de la robinet şi apă caldă (de la robinetul de apă caldă sau încălzită ).

Atenție

Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Descrierea experimentului:

  • Pune în prima farfurie apa foarte rece, în a doua apa rece de la robinet şi în cea de-a treia apa caldă , în cantități egale.

  • Introdu mâna stângă în apa foarte rece şi pe cea dreaptă în apa caldă, timp de câteva minute.

  • Scoate în același timp ambele mâini și pune-le în vasul cu apă rece de la robinet.

  • Observă cum apreciază cele două mâini starea de încălzire a apei de la robinetul de apă rece.

Observaţie

Mâna care a stat în apa cu gheață va aprecia apa de la robinet ca fiind caldă, iar cea care a stat în apă caldă va simţi apa de la robinet foarte rece.

Concluzia experimentului: Simțurile noastre, în anumite situații, ne pot da informații eronate ( greșite) despre stare termică a unui corp.

Pentru a măsura în mod obiectiv cât de cald sau cât de rece este un corp s-a introdus o mărime fizică numită temperatură.

Definiţie

Temperatura este o mărime fizică de stare, care descrie starea termică a unui corp la un anumit moment de timp.

Observaţie

În 1848, fizicianul britanic William Thomson (lord Kelvin) a propus o scară de temperatură care să nu depindă de nicio substanță, numită scară absolută, care a fost aleasă ca unitate de măsură în Sistemul Internațional. Scara Kelvin nu are temperaturi negative.

La temperatura de zero absolut (0 Kelvin= - 273°C), mișcarea atomilor din interiorul corpurilor încetează.

Folosim simbolul T pentru temperatura exprimată în Kelvin, pentru scara Celsius folosim simbolul t și pentru cea exprimată în grade Fahrenheit o notăm cu tF.

important

Caracterizarea temperaturii ca mărime fizică:

• Simbol:



• Formula de calcul:



• Unitatea de măsură în Sistemul Internațional:



• Instrument de măsură:

Observaţie

Diferite tipuri de termometre:

- Termometru de laborator cu mercur



- Termometru medical(cu mercur)



- Termometru medical digital (cu componentă electrică sensibilă la căldură)



- Termometru de exterior



- Termometru de cameră (cu alcool colorat)



- Termometru cu cristale lichide (acestea îşi schimbă culoarea când sunt încălzite). Se lipesc de piele.

important

În 1742, fizicianul suedez Anders Celsius a propus o scară de temperatură pentru termometrul cu mercur, numită scara Celsius care are două repere :

  • Temperatura de topire a gheții de 0°C, la presiune normală.
  • Temperatura de fierbere a apei de 100°C, la presiune normală.


Relația dintre scara Kelvin și scara Celsius:

Observaţie

Scara Fahrenheit a fost propusă în 1724 de către fizicianul Daniel Gabriel Fahrenheit. Fahrenheit este o scară de temperatură utilizată în cadrul sistemului anglo-saxon de unități de măsură. Gradul Fahrenheit, notat cu °F, este unitatea de măsură a temperaturii (tF).

Relația de transformare între scara Celsius t(°C) și Fahrenheit tF (°F):

Problemă model

1. Transformă o temperatură de 40°C în Kelvin și grade Fahrenheit.

Problemă model

2. Transformă o temperatură de 560 K în grade Celsius .

t = 560 – 273,15 = 286,85 °C

Problemă model

3. Calculează variația temperaturii din tabelul cu temperaturi minime și maxime pe o săptămână:

ΔtLuni = tmax – tmin = -1-(-5 ) = -1+5 = 4 °C

ΔtMarți = tmax – tmin = 4-(-2 ) = 4+2 = 6 °C

ΔtMiercuri = tmax – tmin = -2-(-10 ) = -2+10 = 8°C

ΔtJoi = tmax – tmin = 2-(-3 ) = 2+3 = 5 °C

ΔtVineri = tmax – tmin = 0-( -1) = 1 °C

ΔtSâmbătă = tmax – tmin = 5-2 = 3 °C

ΔtDuminică = tmax – tmin = 7-1 = 6 °C



IV.1.2. Echilibru termic.

Experiment

2. Echilibrul termic

Materiale necesare: vas metalic, sursă de încălzire, un borcan de 800g (mare),o sticluţă sau un borcănel care să încapă în borcanul mare, două termometre (pot fi și de cameră), cronometru.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Descrierea experimentului:

  • Pune apă rece de la robinet în borcanul mai mic şi măsoară-i temperatura inițială : T1 = .......... °C,
  • Încălzeşte separat apă , apoi pune-o în borcanul mai mare și măsoară-i temperatura : T2 = …….. °C
  • Pune borcanul mic cu apa rece în borcanul mai mare cu apa caldă și în fiecare pune câte un termometru. Pornește cronometrul.
  • Urmăreşte indicaţiile termometrului până când acesta rămâne la aceeaşi temperatură, pe care o notezi cu Te = ......... °C. Trece temperaturile celor două ape în următorul tabel:
  • Realizează graficul dependenței temperaturilor apei reci, respectiv calde în funcție de timp.
Observaţie

Apa rece își mărește temperatura, iar apa caldă își micșorează temperatura, până ajung la aceeași temperatură.

important

Două corpuri cu temperaturi diferite, puse în contact termic, după un anumit timp, ajung să aibă aceeași temperatură (numită temperatură de echilibru = Te), adică să fie în echilibru termic.



IV.1.3. Modificarea stării termice. Încălzire / Răcire. Transmiterea căldurii.

Definiţie

Încălzirea este fenomenul termic în care corpul își mărește temperatura.

Definiţie

Răcirea este fenomenul termic în care corpul își micșorează temperatura.

important

Am văzut că atunci când punem două corpuri în contact termic, după un timp ele ajung la aceeași temperatură. Între cele două corpuri are loc un schimb ( transfer ) de căldură astfel :

  • Corpul cald cedează căldură celui rece și se răcește .

  • Corpul rece primește căldură de la corpul cald și se încălzește.

Transferul de căldură de la un corp la altul are loc până la egalizarea temperaturii celor două corpuri.

important

Transmiterea căldurii de la corpul mai cald la corpul mai rece se poate face în trei feluri :

- Prin conducție, în cazul metalelor, de la capătul încălzit spre cel neîncălzit.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!


important

- Prin convecție, în cazul lichidelor și gazelor, cu ajutorul curenților.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai de către profesori!


important

- Prin radiație, de la un corp cald, de la distanță sub formă de raze (în linie dreaptă). De exemplu planeta noastră este încălzită prin radiațiile Soarelui.



IV.2. Efecte ale schimbării stării termice.

IV.2.1. Dilatare /Contracție.

Definiţie

Dilatarea este fenomenul termic în care un corp își mărește volumul ( adică dimensiunile ) prin încălzire.

Definiţie

Contracția este fenomenul termic în care un corp își micșorează volumul ( adică dimensiunile ) prin răcire.

IV.2.1.1. Dilatarea solidelor

important

Solidele, în funcție de forma lor, se dilată diferit, astfel:

a) Solidele sub formă de bară (tije) prin încălzire își măresc lungimea, adică suferă o dilatare liniară.

b) Solidele sub formă de plăci (la care predomină două dimensiuni, având o grosime mică) prin încălzire își măresc aria, adică suferă o dilatare superficială (de suprafață).

c) Solidele sub formă de sferă (bilă) prin încălzire își măresc volumul, adică suferă o dilatare volumică.

Definiţie

La aceeași variație de temperatură unele corpuri se dilată mai mult, altele mai puțin. Fiecare material (substanță) este caracterizat printr-o mărime fizică numită coeficient de dilatare termică liniară, notată cu α.

Variația relativă a lungimii unei bare,

este direct proporțională cu variația temperaturii, Δt.

Constanta de proporționalitate dintre cele două variații este chiar coeficientul de dilatare termică liniară .

l = l0 ( 1 + α ∙ Δt )

l = lungimea barei dilatată ( contractată )

l0 = lungimea barei înainte de încălzire

α = coeficientul de dilatare termică liniară a materialului din care este confecționată bara

Δt = variația temperaturii barei

În cazul dilatării volumice, se poate defini un coeficientul de dilatare termică volumică, γ ≈ 3α.

Experiment

3. Dilatarea barelor metalice cu pirometrul cu cadran

Materiale necesare: 3 pirometre cu cadran, 3 bare metalice diferite ( fier, cupru și aluminiu ), chibrit, spirt.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai de către profesori!

Descrierea experimentului:

  • Pune spirt în tăvițele pirometrelor.

  • Fixează bine bara cu șurubul pirometrului.

  • Apride cu chibritul spirtul din tăviță.

  • Observă pentru fiecare bară la ce diviziune a cadranului a urcat acul indicator.

Observaţie

Cel mai puțin a urcat acul la bara de fier și cel mai mult la bara de cupru, respectiv aluminiu.

Concluzia experimentului:

Barele metalice prin încălzire își măresc lungimea, unele mai puțin( fierul), altele mai mult ( aluminiul, cuprul ).


Experiment

4. Dilatarea unei bile metalice

Materiale necesare: o bilă metalică și un inel cu același diametru, clește metalic, spirtieră, chibrit, spirt

Atenție

Acest experiment se efectuează numai de către profesori!

Descrierea experimentului:

  • Verifică trecerea bilei prin inelul cu același diametru.

  • Încălzește la flacăra spirtierei numai bila prin intermediul unui clește metalic, timp de 3-4 minute.

  • Încearcă trecerea bilei încălzite prin inel.

  • Ce observi?

Observaţie

Bila nu mai trece prin inel.

Concluzia experimentului:

Bila prin încălzire și-a mărit volumul, adică s-a dilatat volumic.



IV.2.1.2. Dilatarea lichidelor

Experiment

5. Dilatarea lichidelor

Materiale necesare: două flacoane identice, două paiuri (poți folosi tubul de la pulverizatorul de geamuri), apă colorată (tempera), spirt (alcool sanitar), sursă de încălzire, vas cu apă, vas cu gura mai largă.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu lichide calde să nu te arzi!

Descrierea experimentului:

  • Găureşte dopul flaconului aproape cât diametrul paiului.

  • Introdu forţat paiul în dop. Pentru etanşeizare, aplică pe lângă pai, de jur împrejur, silicon ( miez de pâine umezit, superglue, ceară topită de la o lumânare) .

  • Umple ochi cele două flacoane, unul cu apă colorată şi celălalt cu alcool sanitar.

  • Separat încălzeşte apa, răstoarn-o cu grijă într-un vas cu gura mai largă (preferabil din sticlă) şi introdu, în acelaşi timp, cele două flacoane cu lichide diferite.

  • Ce observi ?



Observaţie

Lichidele prin încălzire urcă în tub, mai mult alcoolul și mai puțin apa.

Concluzia experimentului:

Lichidele prin încălzire își măresc volumul, unele mai puțin (apa), altele mai mult (alcoolul).



Experiment

6. Dilatarea aerului


Materiale necesare: un flacon de medicamente, apă colorată, tub cu cot de 90° (pai curbat), vas cu apă caldă.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu lichide calde să nu te arzi!

Descrierea experimentului:

  • Ia tubul cu cot de 90° şi cufundă-l cu capătul mai lung într-un vas cu apă colorată până ce în tub apare o coloană de lichid colorat.

  • Suflă încet până ce această coloană ajunge aproape de cotul de 90°;

  • Introdu tubul în dopul flaconului (după ce în prealabil l-ai găurit) cu extremitatea mai scurtă şi etanşeizează-l cu silicon. Astfel coloana de lichid colorat va închide aerul aflat în flacon.

  • Aşază flaconul cu aer într-un vas cu apă caldă.

  • Ce observi?



Observaţie

Coloana de lichid colorat de pe ramura orizontală a tubului cotat a ieşit din tub .

Concluzia experimentului:

Gazele, prin încălzire, îşi măresc volumul, adică se dilată . Aerul din flacon închis de coloana de lichid colorat din tubul cotat, mărindu-şi volumul, nu mai are loc în flacon şi atunci iese din acesta, împingând coloana de lichid colorat.


important

Lichidele prin încălzire își măresc volumul, unele mai puțin ( apa ), altele mai mult ( alcoolul ) .



Gazele prin încălzire, îşi măresc volumul, adică se dilată .

Observaţie

Cum explicăm fenomenul de dilataţie la nivel microscopic? Atomii şi moleculele sunt într-o permanentă mişcare şi se ciocnesc între ei tot timpul. Prin încălzirea corpului, creşte viteza agitaţiei termice şi, implicit, numărul ciocnirilor dintre particule, ceea ce conduce la ocuparea unui spaţiu mai mare.

Există un aliaj, numit INVAR ( fier ~64% și nichel ~36%), care nu se dilată aproape deloc, chiar la încălziri considerabile. Datorită coeficientului de dilatare termică foarte redus (cca.1,2x10−6 K−1 ), el este utilizat pentru realizarea de instrumente de precizie pentru ceasornicărie, topografie, aparate și etaloane de măsură etc.

Dilataţia la solide este de sute ori mai mică decât la lichide, iar dilataţia la lichide este de 2-10 ori mai mică decât la gaze.

Aplicațiile și consecințele fenomenelor de dilatare și contractare

1) Termometrul cu lichid ( alcool, mercur ) funcționează pe baza dilatării lichidului, care la încălzire urcă în tubul capilar proporțional cu variația temperaturii lui.



2) Podurile metalice au numai un capăt fixat în beton armat, iar celălalt capăt este pus pe niște role care permit deplasarea capătului liber, atunci când vara se dilată sau când se contractă iarna.



3) La montarea șinelor de cale ferată se lasă un interval ( o anumită distanță) între capatele acestora, numit rostul șinei, pentru a nu se deforma, vara când se dilată.



4) Cablurile electrice aeriene sunt astfel dimensionate încât lungimea lor ( l ) dintre doi stâlpi, să fie mai mare decât distanța dintre cei doi stâlpi, pentru a nu se rupe iarna când se contractă.



5) Conductele de apă caldă / gaze sunt prevăzute, din loc în loc, cu niște coturi ( bucle ) pentru a preveni deformarea acestora la variații mari de temperatură.



IV.2.2. Transformări de stare de agregare

IV.2.2.1. Stările de agregare

Experiment

7. Ce este un solid ?

Materiale necesare: vase de diferite forme, corp solid.

Descrierea experimentului:

  • Pune corpul în vasele de forme diferite și observă ce se întâmplă cu forma și cu volumul acestuia.
Observaţie

Corpul solid își păstrează forma și volumul, indiferent de vasul în care l-am introdus.

Concluzia experimentului:

Corpurile solide au formă proprie (bine determinată) și volum propriu. Nu curg.


Experiment

8. Ce este un lichid ?

Materiale necesare: vase de diferite forme și gradate, apă colorată.

Descrierea experimentului:

  • Pune un anumit volum de apă într-un vas gradat și măsoară-i volumul.
  • Răstoarnă apa într-un alt vas gradat cu o formă diferită și observă ce se întâmplă cu forma și volumul apei în noul vas.
Observaţie

Apa își păstrează volumul, indiferent de vasul în care am introdus-o, dar își schimbă forma.Cum ar fi să pun într-o oală de 10L, 1L de lapte și oala să se umple cu lapte? Poate numai în lumea poveștilor!

Concluzia experimentului:

Lichidele au volum propriu (bine determinat), dar nu au formă proprie (iau forma vasului în care sunt puse). Curg (sunt fluide).


Experiment

9. Ce este un gaz ?

Materiale necesare: două pahare identice, lumânare tip candelă, chibrit, sită de azbest.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!

Descrierea experimentului:

  • Se introduce candela într-un pahar și se aprinde cu chibritul.
  • Imediat se acoperă paharul cu sita de azbest pentru a menține fumul rezultat în pahar.
  • Se vine cu al doilea pahar, cu gura în jos peste sită și se trage sita, astfel încât fumul să intre și în paharul de deasupra. Observă ce se întâmplă cu forma și volumul fumului în noul vas.
Observaţie

Fumul (care este gaz) ocupă tot spațiul pus la dispoziție și ia forma noului vas.

Concluzia experimentului:

Gazele nu au nici formă proprie (iau forma vasului în care sunt puse) și nici volum propriu (ocupă tot volumul pus la dispoziție). Curg (sunt fluide).


Experiment

10. Compresibile sau incompresibile ?

Materiale necesare: un corp solid, apă, seringi.

Descrierea experimentului (Partea 1):

  • Introdu corpul solid în seringă, astupă cu un deget capătul seringii și apasă pistonul seringii pentru a micșora volumul solidului. Ai reușit ?
Observaţie Partea 1

Nu putem mișca deloc pistonul seringii.

Descrierea experimentului (Partea 2):

  • Umple seringa cu apă, astupă cu un deget capătul seringii și apasă pistonul seringii pentru a micșora volumul apei. Ai reușit ?
Observaţie Partea 2

Nu putem mișca deloc pistonul seringii.

Descrierea experimentului (Partea 3):

  • Trage aer în seringă, astupă cu un deget capătul seringii și apasă pistonul seringii pentru a micșora volumul aerului. Ai reușit ?
Observaţie Partea 3

Putem mișca mult pistonul seringi, iar dacă îi dăm drumul, revine la poziția inițială. Aerul are și proprietăți elastice având drept aplicații obiectele pneumatice (saltele, colaci) și folosirea pneurilor la roți care amortizează șocurile.

Concluzia experimentului:

Numai gazele sunt compresibile (își pot micșora volumul la o presiune exterioară) , solidele și lichidele sunt incompresibile.

Cum explicăm proprietățile diferite ale corpurilor în cele trei stări de agregare ?

Aceste proprietăți sunt explicate pe baza structurii interioare a corpurilor și anume forțele intermoleculare (de atracție), respectiv distanțele intermoleculare.

important

La solide distanțele dintre particule sunt foarte mici și forțele de atracție dintre particule sunt foarte mari. Particulele solidului execută numai mișcări de oscilație în jurul unor poziții fixe.

Solidele au formă proprie, au volum propriu, sunt incompresibile și nu curg.

important

La lichide distanțele dintre particule sunt puțin mai mari ca la solide și forțele de atracție dintre particule sunt mai mici ca la solide. Moleculele se mișcă unele față de altele și se atrag puțin.

Lichidele nu au formă proprie (iau forma vasului), au volum propriu, sunt incompresibile și curg.

important

La gaze distanțele dintre particule sunt foarte mari și forțele de atracție dintre particule sunt foarte mici. Moleculele se mișcă mult unele față de altele (au loc suficient) și nu se atrag.

Gazele nu au formă proprie (iau forma vasului), nu au volum propriu (ocupă tot spațiul pus la dispoziție), sunt compresibile și curg.



IV.2.2.2. Transformări de stări de agregare

În următoarea schemă sunt definite toate cele șase fenomene care au loc cu schimbarea stării de agregare:

Fenomenele care au loc cu schimbarea stării de agregare se studiază pe perechi, fiecare pereche având două fenomene opuse.

IV.2.2.2.1. Topirea și solidificarea.

Definiţie

Topirea este fenomenul de trecere unei substanțe din stare solidă în stare lichidă, prin încălzire .

Definiţie

Solidificarea este fenomenul invers topirii și constă în trecerea unei substanțe din stare lichidă în stare solidă, prin răcire.

Experiment

11. Cum se topește gheața ?

Materiale necesare: gheață, pahar transparent și un termometru (poate fi și de cameră).

Descrierea experimentului:

  • Pune în pahar gheață de la congelator.

  • Introdu termometrul în gheață .

  • Agită continuu cu termometru gheața.

  • Urmărește indicațiile termometrului în timp, de la apariția primei picături până la topirea completă a gheții.

  • Ce observi ?

Observaţie

Gheața începe să se topească la 0°C. Pe parcursul topirii (de la apariția primei picături până la topirea ultimului cristal), temperatura a rămas la 0°C.

Legile topirii / solificării:

Definiţie

I. Fiecare substanță începe să se topească (să se solidifice) la o anumită temperatură, numită temperatură de topire (notată cu Tt ), care este o constantă de material (o luăm din tabel).

Temperatura de topire a unei substanțe coincide cu temperatura de solidificare (Ts).

Tt = Ts = constantă de material

Definiţie

II. Pe parcursul topirii unei substanțe (de la apariția primei picături până la topirea ultimului cristal), temperatura de topire rămâne constantă, dacă presiunea ramâne constantă.

Experiment

12. Anomalia apei!

Materiale necesare: o sticlă, apă de la robinet, congelator.

Atenție

Nu pune dopul la sticla cu apă când o introduci în congelator întrucât apa prin dilatare își mărește volumul și poate sparge sticla producând cioburi ce te pot accidenta!

Descrierea experimentului:

  • Umple o sticlă cu apă.
  • Introdu sticla la congelator, până îngheață toată apa.
  • Ce observi ?
Observaţie

Apa înghețată a dat pe dinafară.

Concluzia experimentului:

Apa, la înghețare (solidificare), și-a mărit volumul (anomalia apei).



IV.2.2.2.2. Vaporizarea și condensarea

Definiţie

Vaporizarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare lichidă în stare gazoasă (vapori), prin încălzire.

Definiţie

Condensarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare gazoasă în stare lichidă, prin răcire. Este fenomenul invers al vaporizării.

Vaporizarea poate avea loc în două moduri :

  • Evaporarea este vaporizarea care are loc doar la suprafața lichidului.
  • Fierberea este vaporizarea care are loc în toată masa lichidului și începe odată cu apariția primului clocot.
Experiment

13. Cum fierbe apa ?

Materiale necesare: pahar Erlenmeyer cu apă distilată, spirtieră, trepied, sită de azbest, dop cu termometru, cronometru.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Descrierea experimentului:

  • Pune paharul cu apă pe sită și trepied.
  • Măsoară temperatura inițială a apei.
  • Aprinde spirtiera și pornește cronometrul la începerea încălzirii apei.
  • Măsoară timpul la fiecare creștere a temperaturii apei cu 10°C și trece datele în următorul tabel:
  • Ce observi ?
Observaţie

Apa începe să fiarbă la 100°C. Pe parcursul fierberii, temperatura apei rămâne la 100°C, chiar dacă continuăm încălzirea.

  • Reprezintă graficul dependenței temperaturii în funcție de timp.
  • Fenomenele corespunzătoare fiecărui segment sunt :

    • AB, BC, CD reprezintă evaporarea apei
    • DE reprezintă fierberea apei

Legile fierberii:

Definiţie

I. Fiecare lichid începe să fiarbă la o anumită temperatură numită temperatură de fierbere, Tf care este o constantă de material (tabel).

Definiţie

II. Pe parcursul fierberii unui lichid (de la primul clocot până la vaporizarea completă) temperatura de fierbere este constantă, la aceeași presiune.

Tabel cu constante fizice (de material).



Experiment

14. Condensarea apei

Materiale necesare: pahar, congelator.

Descrierea experimentului:

  • Ia un pahar curat și uscat și pune-l la congelator, timp de 10-15 minute.

  • Scoate paharul din congelator.

  • Ce observi pe pereții săi după câteva minute?

Observaţie

Pe pereții paharului sunt picături de apă.

Concluzia experimentului:

Apa apărută de nicăieri s-a format prin condensarea vaporilor de apă din cameră, care venind în contact cu pereții reci ai paharului, se răcesc și se transformă în picături mici de apă.



IV.2.2.2.3. Sublimarea și desublimarea

Definiţie

Sublimarea este fenomenul de transformare a unei substanțe din stare solidă direct în stare gazoasă, prin încălzire.

Definiţie

Desublimarea este fenomenul invers al sublimării, de transformare a unei substanțe din stare gazoasă (de vapori) direct în stare solidă, prin răcire.

Observaţie

Substanțe ca naftalina, camforul,gheața, acidul benzoic, iodul și altele au proprietatea de a trece din stare solidă direct în stare de vapori. Și tungstenul din filamentul becului sublimează lent ducând la subțierea filamentului și în final la arderea lui.

Experiment

15. Sublimarea naftalinei

Materiale necesare: naftalină (de la magazinul de chimicale), apă fiartă, un borcan de 800g, pahar Erlenmeyer cu dop prevăzut cu un tub și termometru, vas cu apă fiartă.

Atenţie

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi! Atenție, naftalina este inflamabilă și trebuie încălzită pe baie de apă fiartă! Naftalina este toxică, deci nu o atinge, nu o gusta și nu inspira vaporii săi!

Descrierea experimentului:

  • Pune naftalina în pahar, într-un strat de un deget și închide-o cu dopul.

  • Pune apa într-o cratiță, astfel încât nivelul ei să depășească cu puțin naftalina din pahar (strat de două degete) și fierbe apa.

  • Introdu sticla cu naftalină în baia de apă fiartă și urmărește pereții paharului.

  • Ce observi ?

Observaţie

În scurt timp apar cristale de naftalină sub formă de ace, pe pereții sticlei.

Concluzia experimentului:

Naftalina, prin încălzire, a sublimat și s-a transformat în vapori de naftalină. Vaporii de naftalină , dând de pereții mai reci ai sticlei, a desublimat și s-a transformat în stare solidă, sub formă de cristale aciculare.



IV.2.2.3. Circuitul apei în natură

Pe scoarța globului pământesc există mari suprafețe de apă, sub formă de râuri, lacuri, mări şi oceane,

Sub acţiunea radiaţiei Soarelui, aceste ape se evaporă în aerul atmosferic.

important

Când condensarea vaporilor de apă din aer are loc la suprafața pământului se formează ceaţa.

important

Când condensarea vaporilor de apă din atmosferă are loc la înălţimi mai mari în atmosferă se formează norii.

important

Când picăturile mici de apă din care sunt formaţi norii se unesc, fiind mai mari și mai grele nu mai pot pluti în atmosferă şi cad pe pământ sub formă de ploaie.

important

Iarna, când temperatura aerului scade sub 0°C, picăturile de apă din nori îngheaţă ( se solidifică ) sub forma unor ace, care prin unire formează cristale mai mari, numite fulgi de zăpadă.

important

În dimineţile care urmează după nopţile senine de vară apare roua prin condensarea vaporilor de apă din aer la contactul cu suprafaţa Pământului (iarbă, flori etc).

important

Primăvara şi toamna, când vaporii de apă din aer vin în contact cu obiecte de pe Pământ cu temperatura sub 0°C se formează bruma prin desublimarea vaporilor de apă din aer.



IV.3. Sinteză recapitulativă - Fenomene termice.

important

Temperatura este o mărime fizică de stare, care descrie starea termică a unui corp la un anumit moment de timp.

Caracterizarea temperaturii ca mărime fizică:

• Simbol:



• Formula de calcul:



• Unitatea de măsură în Sistemul Internațional:



• Instrument de măsură:




Scara Celsius are două repere:

  • Temperatura de topire a gheții de 0°C, la presiune normală.

  • Temperatura de fierbere a apei de 100°C, la presiune normală.

Relația dintre scara Kelvin și scara Celsius:



Două corpuri cu temperaturi diferite, puse în contact termic, după un anumit timp, ajung să aibă aceeași temperatură (numită temperatură de echilibru = Te), adică să fie în echilibru termic.


Încălzirea este fenomenul termic în care corpul își mărește temperatura.

Răcirea este fenomenul termic în care corpul își micșorează temperatura.

Am văzut că atunci când punem două corpuri în contact termic, după un timp ele ajung la aceeași temperatură. Între cele două corpuri are loc un schimb ( transfer ) de căldură astfel :

  • Corpul cald cedează căldură celui rece și se răcește .

  • Corpul rece primește căldură de la corpul cald și se încălzește.

Transferul de căldură de la un corp la altul are loc până la egalizarea temperaturii celor două corpuri.


Transmiterea căldurii de la corpul mai cald la corpul mai rece se poate face în trei feluri :

- Prin conducție, în cazul metalelor, de la capătul încălzit spre cel neîncălzit.

- Prin convecție, în cazul lichidelor și gazelor, cu ajutorul curenților.

- Prin radiație, de la un corp cald, de la distanță. De exemplu, planeta noastră este încălzită prin radiațiile Soarelui.


Dilatarea este fenomenul termic în care un corp își mărește volumul ( adică dimensiunile ) prin încălzire.

Contracția este fenomenul termic în care un corp își micșorează volumul ( adică dimensiunile ) prin răcire.

Solidele, în funcție de forma lor, se dilată diferit, astfel:

a) Solidele sub formă de bară (tije) prin încălzire își măresc lungimea, adică suferă o dilatare liniară.

l = l0 ( 1 + α ∙ Δt )

l = lungimea barei dilatată ( contractată )

l0 = lungimea barei înainte de încălzire

α = coeficientul de dilatare termică liniară a materialului din care este confecționată bara

Δt = variația temperaturii barei



b) Solidele sub formă de plăci (la care predomină două dimensiuni, având o grosime mică) prin încălzire își măresc aria, adică suferă o dilatare superficială ( de suprafață ).

c) Solidele sub formă de sferă (bilă) prin încălzire își măresc volumul, adică suferă o dilatare volumică.



Lichidele prin încălzire își măresc volumul, unele mai puțin (apa), altele mai mult (alcoolul).

Gazele, prin încălzire, îşi măresc volumul, adică se dilată.

Aplicațiile și consecințele fenomenelor de dilatare și contractare

1) Termometrul cu lichid ( alcool, mercur ) funcționează pe baza dilatării lichidului, care la încălzire urcă în tubul capilar proporțional cu variația temperaturii lui.



2) Podurile metalice au numai un capăt fixat în beton armat, iar celălalt capăt este pus pe niște role care permit deplasarea capătului liber, atunci când vara se dilată sau când se contractă iarna.



3) La montarea șinelor de cale ferată se lasă un interval ( o anumită distanță) între capatele acestora, numit rostul șinei, pentru a nu se deforma, vara când se dilată.



4) Cablurile electrice aeriene sunt astfel dimensionate încât lungimea lor ( l ) dintre doi stâlpi, să fie mai mare decât distanța dintre cei doi stâlpi, pentru a nu se rupe iarna când se contractă.



5) Conductele de apă caldă / gaze sunt prevăzute, din loc în loc, cu niște coturi ( bucle ) pentru a preveni deformarea acestora la variații mari de temperatură.

important

Stările de agregare ale substanțelor sunt:

1) Starea solidă

La solide distanțele dintre particule sunt foarte mici și forțele de atracție dintre particule sunt foarte mari. Particulele solidului execută numai mișcări de oscilație în jurul unor poziții fixe.

Solidele au formă proprie, au volum propriu, sunt incompresibile și nu curg.

2) Starea lichidă

La lichide distanțele dintre particule sunt puțin mai mari ca la solide și forțele de atracție dintre particule sunt mai mici ca la solide. Moleculele se mișcă unele față de altele și se atrag puțin.

Lichidele nu au formă proprie (iau forma vasului), au volum propriu, sunt incompresibile și curg.

3) Starea gazoasă

La gaze distanțele dintre particule sunt foarte mari și forțele de atracție dintre particule sunt foarte mici. Moleculele se mișcă mult unele față de altele (au loc suficient) și nu se atrag.

Gazele nu au formă proprie (iau forma vasului), nu au volum propriu (ocupă tot spațiul pus la dispoziție), sunt compresibile și curg.




În următoarea schemă sunt definite toate cele șase fenomene care au loc cu schimbarea stării de agregare:

Topirea este fenomenul de trecere unei substanțe din stare solidă în stare lichidă, prin încălzire .

Solidificarea este fenomenul invers topirii și constă în trecerea unei substanțe din stare lichidă în stare solidă, prin răcire.



Legile topirii / solificării:

I. Fiecare substanță începe să se topească (să se solidifice) la o anumită temperatură, numită temperatură de topire (notată cu Tt ), care este o constantă de material (o luăm din tabel).

Temperatura de topire a unei substanțe coincide cu temperatura de solidificare (Ts).

Tt = Ts = constantă de material

II. Pe parcursul topirii unei substanțe (de la apariția primei picături până la topirea ultimului cristal), temperatura de topire rămâne constantă, dacă presiunea ramâne constantă.



Vaporizarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare lichidă în stare gazoasă (vapori), prin încălzire.

Condensarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare gazoasă în stare lichidă, prin răcire. Este fenomenul invers al vaporizării.

Vaporizarea poate avea loc în două moduri :

  • Evaporarea este vaporizarea care are loc doar la suprafața lichidului.

  • Fierberea este vaporizarea care are loc în toată masa lichidului și începe odată cu apariția primului clocot.

Legile fierberii:

I. Fiecare lichid începe să fiarbă la o anumită temperatură numită temperatură de fierbere, Tf care este o constantă de material (tabel).

II. Pe parcursul fierberii unui lichid (de la primul clocot până la vaporizarea completă) temperatura de fierbere este constantă, la aceeași presiune.



Sublimarea este fenomenul de transformare a unei substanțe din stare solidă direct în stare gazoasă, prin încălzire.

Desublimarea este fenomenul invers al sublimării, de transformare a unei substanțe din stare gazoasă (de vapori) direct în stare solidă, prin răcire.

Observaţie: Substanțe ca naftalina, camforul, acidul benzoic, iodul și altele au proprietatea de a trece din stare solidă direct în stare de vapori. Și tungstenul din filamentul becului sublimează lent ducând la subțierea filamentului și în final la arderea lui.



Circuitul apei în natură

Pe scoarța globului pământesc există mari suprafețe de apă, sub formă de râuri, lacuri, mări şi oceane,

Sub acţiunea radiaţiei Soarelui, aceste ape se evaporă în aerul atmosferic.

Când condensarea vaporilor de apă din aer are loc la suprafața pământului se formează ceaţa.

Când condensarea vaporilor de apă din aer din atmosferă are loc la înălţimi mai mari în atmosferă se formează norii.

Când picăturile mici de apă din care sunt formaţi norii se unesc, fiind mai mari și mai grele nu mai pot pluti în atmosferă şi cad pe pământ sub formă de ploaie.

Iarna, când temperatura aerului scade sub 0°C, picăturile de apă din nori îngheaţă (se solidifică) sub forma unor ace, care prin unire formează cristale mai mari, numite fulgi de zăpadă.

În dimineţile care urmează după nopţile senine de vară apare roua prin condensarea vaporilor de apă din aer la contactul cu suprafaţa Pământului (iarbă, flori etc).

Primăvara şi toamna, când vaporii de apă din aer vin în contact cu obiecte de pe Pământ cu temperatura sub 0°C se formează bruma prin desublimarea vaporilor de apă din aer.



IV.4. Probleme model recapitulative - Fenomene termice.

Probleme model recapitulative - Fenomene termice.

1) Pentru a înțelege de ce șinele de cale ferată nu se sudează și când se montează se lasă un spațiu între ele, numit rost, să aflăm cu cât se dilată la 40° o șină de cale ferată, care la 0°C are lungimea de 10 m? Se dă coeficientul de dilatare termică liniară a fierului α = 0,000012 K-1.

  • Se scriu datele problemei:

    • t1 = 40°C

    • t0 = 0°C

    • l0 = 10 m

    • αFe = 0,000012 K-1

  • Scriem formula care definește coeficientul de dilatare liniară și care este constanta de proporționalitate dintre variația relativă a lungimii barei și variația temperaturii barei:

  • Dacă o bară se dilată cu aproape jumătate de centimetru, atunci dacă ar fi sudată de o altă bară, în urma dilatării când este caniculă, s-ar deforma și trenul ar deraia de pe șine.
Probleme model recapitulative - Fenomene termice.

2) Două corpuri, 1 și 2, au fost puse în contact termic. Iată graficul evoluției în timp a temperaturii celor două corpuri:

Se cere:

a) Cât sunt temperaturile inițiale ale celor două corpuri?

b) Cât este temperatura de echilibru?

c) După câte minute cele două corpuri au ajuns la echilibru termic?

d) Ce fenomen suferă fiecare corp în timpul contactului termic?

Rezolvare:

a) Corpul 1are temperatura inițială de 60°C, fiind corpul cald și corpul 2 are temperatura inițială de 10°C, fiind corpul rece( la momentul 0 min).

b) Temperatura de echilibru ale celor două corpuri (temperatura lor finală) este de 30°C.

c) Cele două corpuri au ajuns la echilibru termic după 6 min.

d) În timpul contactului termic, corpul 1(rece) primește căldură și se încălzește. Corpul 2 (cald) cedează căldură și se răcește.



IV.5. Exerciții recapitulative - Fenomene termice.

Exerciții recapitulative - Fenomene termice.

1) Calculează variația (diferența de) temperatură din tabelul cu temperaturi minime și maxime pe o săptămână:




2) Transformă:

a) t = 67°C = ? K

b) T = 538 K = ? °C


3) Două corpuri, 1 și 2, au fost puse în contact termic. Iată graficul evoluției în timp a temperaturii celor două corpuri:



Se cere:

a) Cât sunt temperaturile inițiale ale celor două corpuri?

b) Cât este temperatura de echilibru?

c) După câte minute cele două corpuri au ajuns la echilibru termic?

d) Care este corpul cald și care este corpul rece?

e) Ce fenomen suferă fiecare corp în timpul contactului termic?


4) Completează următoarele afirmații:

a) O bară de cupru, prin încălzire, își mărește......................................

b) O bilă de aluminiu, prin încălzire, își mărește..................................

c) O lamă de zinc, prin încălzire, își mărește.........................................

d) Lichidele se .........................prin încălzire.

e) Gazele se ..............................prin răcire.

f) Lichidele au..............................propriu și nu au ..................proprie.

g) Solidele au ............................propriu și ...................proprie.

h) Gazele nu au .......................propriu și nici ......... ..........proprie.


5) Completează următoarea schemă cu numele fenomenelor pe săgețile indicate :




6) Doi cilindri, A și B, sunt umpluți unul cu apă și celălalt cu aer. Se apasă asupra pistoanelor acestor cilindrii. Iată cum arată cilindrii după apăsarea asupra pistoanelor lor. Care cilindru conține apă ?




7) Ana pune apă într-un ibric pe aragaz. După 5 minute măsoară temperatura apei și termometrul indică 100°C.

Se cere:

a) Ce se întâmplă cu temperatura apei după alte 5 minute de încălzire pe aragaz?

b) Când începe să fiarbă apa?

c) Până la temperatura de 100°C, cum se numește vaporizarea apei care are loc numai la suprafața acesteia?


8) De ce o minge de ping-pong deformată și introdusă în apă fierbinte, revine la forma sa sferică ?


9) Ce fenomen suferă stratul de aer de deasupra unei lumânări aprinse? Ce se întâmplă cu densitatea lui?


10) Indică fenomenul implicat în formarea:

a) Brumei - ........................

b) Norilor - .........................

c) Ploilor - ..........................

d) Ceții - ...............................

e) Fulgilor de zăpadă - ..........................


11) Pe ce fenomen se bazează funcționarea termometrului cu lichid?


12) De ce podurile metalice nu trebuie fixate la ambele capete în beton armat?


13) De ce cablurile electrice aeriene trebuie să aibă lungimea mai mare decât distanța dintre cei doi stâlpi?


14) Spray-urile nu trebuie ținute la soare și nici aproape de sursele de căldură. De ce?


15) De ce nu se sudează șinele de cale ferată și trebuie lăsată între ele un rost?


16) De ce o sticlă goală astupată și pusă la congelator se stânge?


17) Ce se întâmplă cu densitatea stratului de aer, de deasupra unei flăcări ?



IV.6. Test de autoevaluare - Fenomene termice.

Test de autoevaluare - Fenomene termice.

1) Calculează variația temperaturii pentru ziua de marți și miercuri pe baza datelor din tabelul cu temperaturi minime și maxime:



2) Transformă:

a) t = 100°C = ? K

b) T = 430 K = ? °C


3) Două corpuri, 1 și 2, au fost puse în contact termic. Iată graficul evoluției în timp a temperaturii celor două corpuri:

Se cere:

a) Cât sunt temperaturile inițiale ale celor două corpuri?

b) Cât este temperatura de echilibru?

c) După câte minute cele două corpuri au ajuns la echilibru termic?

d) Ce fenomen suferă fiecare corp în timpul contactului termic?


4) Completează următoarele afirmații:

a) O bară de cupru, prin încălzire, își mărește......................................

b) O bilă de aluminiu, prin încălzire, își mărește..................................

c) Lichidele prin încălzire își măresc...........................................

d) Gazele prin răcire își........................volumul.


5) Completează următoarele afirmații:

a) Lichidele au.............................. propriu și nu au .................. proprie.

b) Solidele au distanțele dintre particule ............................ .

c) Gazele au forțele de atracție dintre particule ....................... .

d) Dintre solide, lichide și gaze sunt compresibile numai ........................... .


6) Completează următoarea schemă cu numele fenomenelor pe săgețile indicate :


7) Indică cum se formează:

a) Bruma - ........................

b) Ceața - ...............................


8) Cum se montează podurile metalice?


Fiecare subiect este de 1 p și din oficiu 2p.