Eksperyment
Podgrzej kryształ zbudowany z trzystu atomów i patrz, jak się topi, a potem paruje. Na diagramie fazowym znajdziesz punkt potrójny wody. Zmierzysz też, ile energii pochłania wrzenie, i sprawdzisz, czemu na Evereście woda wrze już w 70 °C.
Ciało stałe — kryształ
Atomy drgają wokół stałych miejsc.
Temperatura w jednostkach ε/k (dla argonu 1 jednostka ≈ 120 K). ↑ ↓
Zmniejsza objętość naczynia i podnosi ciśnienie. ← →
Model uproszczony: 300 atomów w 2-D, potencjał Lennarda-Jonesa, jednostki zredukowane. W 2-D zakres cieczy jest wąski (ok. 0,40–0,50), a liczby nie są temperaturami prawdziwego argonu.
Woda: krzywe wg równań IAPWS. Granice między odmianami lodu przy wysokim ciśnieniu są uproszczone.
Przeciągnij znacznik albo użyj ↑ ↓ (temperatura) i ← → (ciśnienie), z Shift — szybciej.
Woda w garnku ma 20 °C.
Ciśnienie z modelu atmosfery wzorcowej (ISA); prawdziwe zmienia się z pogodą o kilka procent.
Rysunek jest schematyczny: 1 kg pary w 100 °C zajmuje ok. 1,7 m³. Zakładamy stałe ciśnienie 1 atm, brak strat ciepła i że cała para zostaje w naczyniu.
Dwa atomy z daleka lekko się przyciągają, a zbyt blisko silnie odpychają. Opisuje to potencjał Lennarda-Jonesa:
Temperatura to miara średniej energii ruchu. W dwóch wymiarach średnia energia kinetyczna atomu wynosi ⟨Ek⟩ = kT. Gdy kT jest dużo mniejsze od ε, atomy siedzą w sieci jak kulki w plastrze miodu — każdy ma sześciu sąsiadów. Gdy drgania stają się porównywalne z głębokością dołka, sieć się rozpada (ciecz), a przy jeszcze wyższej temperaturze atomy odlatują (gaz).
Program co krok czasu liczy siły i przesuwa atomy algorytmem Verleta prędkościowego:
Termostat delikatnie przeskalowuje prędkości w stronę zadanej temperatury. Bez termostatu suma energii kinetycznej i potencjalnej pozostaje stała. W otwartym naczyniu uciekają najszybsze atomy, więc reszta stygnie. Dlatego kałuża wysycha, a pot nas chłodzi.
Podczas topnienia i wrzenia temperatura stoi w miejscu, choć grzałka cały czas działa. Energia idzie wtedy na rozrywanie wiązań, a nie na przyspieszanie cząsteczek.
Dla 1 kg lodu od −20 °C do pary w 100 °C: 42 + 334 + 419 + 2 257 = 3 052 kJ. Samo wrzenie to aż 74 % tej energii.
Diagram fazowy pokazuje, która faza jest trwała przy danej temperaturze i ciśnieniu. Na liniach dwie fazy współistnieją. W punkcie potrójnym (dla wody 0,01 °C i 611,657 Pa) współistnieją wszystkie trzy. Za punktem krytycznym (373,95 °C, 22,06 MPa) znika różnica między cieczą a parą. Nachylenie każdej linii opisuje równanie Clausiusa–Clapeyrona:
Lód jest mniej gęsty od wody (Δv < 0), więc linia topnienia wody pochyla się w lewo: ciśnienie obniża temperaturę topnienia, ale tylko o ok. 0,0075 °C na atmosferę. W technice prężność pary opisuje się też empirycznym równaniem Antoine’a, log10 p = A − B/(C + T). Ta strona używa dokładnych równań IAPWS dla wody.
Woda wrze wtedy, gdy ciśnienie jej pary zrówna się z ciśnieniem otoczenia. Im wyżej, tym rzadsze powietrze:
Na Rysach (2 499 m) wychodzi ok. 747 hPa i wrzenie w ok. 92 °C. Na Evereście (8 849 m) jest ok. 314 hPa i wrzenie w ok. 70 °C. Makaron gotuje się tam dłużej. Szybkowar działa odwrotnie: nadciśnienie ok. 1 bara podnosi temperaturę wrzenia do ok. 120 °C.
Symulacja atomów jest dwuwymiarowa i ma tylko 300 cząstek. Krzywe CO₂ i azotu to przybliżone równania z literatury. Krzywa ogrzewania zakłada stałe ciepło właściwe i zerowe straty. Przechłodzona woda ma w rzeczywistości nieco wyższe ciepło właściwe niż 4,19 kJ/(kg·K).
Gaz tak gorący, że elektrony odrywają się od atomów. Świeci w Słońcu, w błyskawicach i w neonach. Większość zwykłej materii we Wszechświecie (gwiazdy, gaz międzygwiazdowy) jest właśnie w stanie plazmy.
Powyżej punktu krytycznego nie ma już granicy między cieczą a gazem. Płyn wnika w szczeliny jak gaz, a rozpuszcza substancje jak ciecz. Nadkrytycznym CO₂ (powyżej 31 °C i 7,4 MPa) usuwa się kofeinę z kawy.
Bardzo czysta woda w gładkim naczyniu może pozostać ciekła nawet kilkanaście stopni poniżej 0 °C, bo brakuje zarodka kryształu. Wstrząs albo okruch lodu wywołuje błyskawiczne zamarzanie. Spróbuj tego w trybie 3.
Suchy lód pod ciśnieniem atmosferycznym nie topi się, tylko od razu paruje (−78,5 °C). Odwrotny proces, czyli przejście pary prosto w kryształ, to resublimacja: tak powstaje szron. W liofilizacji zamrożoną żywność suszy się w próżni przez sublimację lodu.
Po ochłodzeniu do ułamka mikrokelwina tysiące atomów zachowują się jak jedna „superfala”. Pierwszy taki kondensat uzyskali w 1995 r. Eric Cornell i Carl Wieman (atomy rubidu), a kilka miesięcy później Wolfgang Ketterle (atomy sodu). W 2001 r. cała trójka dostała Nagrodę Nobla.