MODUŁ 06 · CZĘŚĆ II: STANY SKUPIENIA I PRZEMIANY

Parowanie, wrzenie i skraplanie — woda krąży w powietrzu

PPrezentacja dla nauczyciela

Mokre pranie wysycha nawet w chłodny dzień, a szklanka zimnej wody „poci się” od zewnątrz. Nad gotującym się garnkiem unosi się biała mgiełka, która po chwili znika. Woda potrafi przechodzić do powietrza i z powrotem — bez wrzenia i bez specjalnej aparatury. Ten moduł wyjaśnia parowanie, wrzenie i skraplanie.

wyjaśnić, jak temperatura, powierzchnia i wiatr wpływają na parowanie,
odróżnić parowanie od wrzenia i wyjaśnić zależność wrzenia od ciśnienia,
rozpoznać skraplanie, mgłę, rosę i punkt rosy oraz opisać obieg wody.

Parowanie

Parowanie to przejście cieczy w gaz, które zachodzi z powierzchni cieczy. Nie wymaga osiągnięcia temperatury wrzenia — woda paruje także w 20 °C, a nawet w 0 °C. Z powierzchni uciekają te cząsteczki, które mają wystarczająco dużo energii, aby pokonać przyciąganie sąsiadów.

Parowanie różni się od wrzenia tym, że przebiega spokojnie, bez pęcherzy i bez jednej temperatury, w której się zaczyna. Nawet w zimnym pomieszczeniu część cząsteczek ma dość energii, by opuścić ciecz.

Pozostałe cząsteczki mają średnio mniej energii, więc ciecz się ochładza. Dlatego mokre ciało na wietrze wydaje się zimne, a pot chłodzi skórę. Parowanie pochłania ciepło z otoczenia.

Na szybkość parowania wpływają przede wszystkim:

Temperatura — wyższa temperatura oznacza szybszy ruch cząsteczek, więc więcej z nich ucieka z powierzchni.
Powierzchnia — z większej powierzchni paruje więcej wody, bo więcej cząsteczek ma szansę opuścić ciecz.
Ruch powietrza — wiatr usuwa parę znad cieczy, dzięki czemu kolejne cząsteczki mogą uciekać.
Wilgotność powietrza — w suchym powietrzu parowanie jest szybsze niż w wilgotnym.

Przykłady znajdziesz w kuchni i w domu: schnące pranie, wysychająca kałuża, mokre włosy i woda w naczyniu glinianym, które chłodzi napój. Parowanie zachodzi w każdej temperaturze, ale tylko z powierzchni. Wrzenie wygląda inaczej — o nim za chwilę.

W upalny dzień kałuża znika w kilka godzin, a w chłodnej piwnicy ta sama woda może stać przez wiele dni. To nie znaczy, że w piwnicy nie paruje — paruje po prostu wolniej.

Parowanie przyspiesza, gdy rośnie temperatura, zwiększa się powierzchnia cieczy lub pojawia się ruch powietrza. W suchym i wietrznym powietrzu pranie schnie najszybciej.

1. Mokre pranie wysycha w pokoju o temperaturze 20 °C. Co dzieje się z wodą?

Woda wrze w 20 °C, bo inaczej nie mogłaby opuścić tkaniny. Woda paruje z powierzchni całej tkaniny, nawet bez wrzenia. Woda znika, bo jej cząsteczki zamieniają się w ciepło. Woda odparowuje tylko wtedy, gdy temperatura osiągnie 100 °C.

2. Dlaczego mokra skóra na wietrze chłodzi bardziej niż w bezwietrznym pomieszczeniu?

Wiatr obniża temperaturę powietrza i dlatego skóra szybciej się chłodzi. Wiatr zwiększa temperaturę wody, przez co parowanie zachodzi szybciej. Wiatr zatrzymuje parę przy skórze i przez to chłodzi ją mocniej. Wiatr usuwa parę znad skóry, więc więcej wody paruje i odbiera ciepło.

3. Który czynnik przyspiesza parowanie wody z kałuży?

Silniejszy wiatr i większa powierzchnia kałuży. Większa wilgotność powietrza i brak ruchu powietrza. Niższa temperatura wody i mniejsza powierzchnia. Zamknięcie kałuży w szczelnym naczyniu.

Wrzenie

Wrzenie to gwałtowne parowanie zachodzące w całej objętości cieczy. W cieczy tworzą się pęcherze pary, które rosną i wypływają na powierzchnię. Wrzenie zachodzi w określonej temperaturze, zależnej od ciśnienia.

Przy normalnym ciśnieniu 1013 hPa woda wrze w 100 °C. Inne ciecze mają inne temperatury wrzenia: alkohol etylowy około 78 °C, a rtęć około 357 °C. To cecha substancji, podobnie jak temperatura topnienia.

Ciśnienie zmienia temperaturę wrzenia. W górach ciśnienie jest niższe, więc woda wrze poniżej 100 °C — na wysokości 3000 m około 90 °C, a na szczycie Mount Everest około 70 °C. W szybkowarze ciśnienie jest wyższe, dlatego woda może wrzeć w temperaturze około 120 °C.

Dlaczego tak się dzieje? Pęcherz pary musi pokonać ciśnienie otoczenia. Im większe ciśnienie, tym trudniej go utworzyć i tym wyższa temperatura wrzenia. Im niższe ciśnienie, tym łatwiej powstają pęcherze i tym wcześniej zaczyna się wrzenie.

Wrzenie zaczyna się dokładnie wtedy, gdy ciśnienie pary w pęcherzach zrówna się z ciśnieniem zewnętrznym. Wtedy pęcherze mogą rosnąć i wypływać na powierzchnię. To wyjaśnia, dlaczego temperatura wrzenia zależy od ciśnienia.

Podczas wrzenia temperatura nie rośnie, dopóki cała ciecz nie zamieni się w parę. Dostarczana energia zużywana jest na zmianę stanu skupienia, a nie na podnoszenie temperatury. W praktyce oznacza to, że w górach ziemniaki gotują się dłużej, a szybkowar skraca czas gotowania.

Pamiętaj, że para wodna jest niewidoczna. Biała mgiełka nad garnkiem to już skroplone kropelki — wrócimy do tego w następnej sekcji.

Cecha	Parowanie	Wrzenie
gdzie zachodzi	z powierzchni cieczy	w całej objętości cieczy
temperatura	w każdej temperaturze	w określonej temperaturze
przykład	schnąca kałuża	gotująca się woda

Im niższe ciśnienie, tym niższa temperatura wrzenia. W górach woda wrze chłodniej, a w szybkowarze — goręcej niż w zwykłym garnku.

4. Woda w otwartym garnku wrze w 100 °C przy normalnym ciśnieniu. Co dzieje się podczas wrzenia?

Para powstaje tylko na powierzchni, a w środku woda się nie zmienia. Temperatura wody rośnie stale od 100 °C do 120 °C. Pęcherze pary tworzą się w całej objętości wody, także w środku. Woda zamienia się w parę tylko przy dnie garnka.

5. Dlaczego w górach woda wrze w temperaturze niższej niż 100 °C?

Bo ciśnienie powietrza jest tam niższe i pęcherze pary łatwiej powstają. Bo w górach woda w garnku jest zawsze zimniejsza i dlatego szybciej się gotuje. Bo powietrze w górach zawiera więcej tlenu i przyspiesza wrzenie. Bo grawitacja jest słabsza i cząsteczki wody łatwiej uciekają.

6. Co zrobić, żeby woda w garnku wrzała w temperaturze wyższej niż 100 °C?

Wlać wodę do szerszego naczynia i zwiększyć jej powierzchnię parowania. Dodać do wody cukier, który obniża temperaturę wrzenia. Gotować ją w zamkniętym szybkowarze, gdzie ciśnienie jest wyższe. Przykryć garnek pokrywką, bo pod nią woda zawsze wrze w 120 °C.

Skraplanie, mgła i punkt rosy

Skraplanie to przejście gazu w ciecz. Zachodzi, gdy para się ochładza albo gdy rośnie ciśnienie. Skraplanie oddaje energię do otoczenia — dlatego para wodna o temperaturze 100 °C może poparzyć mocniej niż wrząca woda.

Para wodna jest niewidoczna. Biała mgiełka nad czajnikiem to już skroplone kropelki wody, a nie para. Podobnie „dym” z ust na mrozie to drobne kropelki lub kryształki lodu powstałe z pary.

Mgła powstaje, gdy powietrze przy ziemi ochładza się poniżej punktu rosy, a para skrapla się na drobnych cząstkach pyłu. Rosa to skroplona para na trawie i przedmiotach, które nocą się ochłodziły. Szron to osad: para przechodzi bezpośrednio w lód, gdy temperatura jest poniżej 0 °C.

Punkt rosy to temperatura, w której powietrze jest nasycone parą wodną i zaczyna się skraplanie. Wilgotność względna mówi, jak blisko nasycenia jest powietrze. Im więcej pary wodnej w powietrzu, tym wyższy punkt rosy i tym łatwiej o mgłę lub kropelki na szybie.

Przykłady z życia: zimna szklanka pokrywa się kropelkami, lustro w łazience zaparowuje po gorącym prysznicu, a na zimnej szybie pojawia się woda z oddechu. W każdym z tych przypadków para wodna z powietrza lub z oddechu ochładza się poniżej punktu rosy.

Woda krąży w przyrodzie w wielkim cyklu. Paruje z oceanów, jezior i gleby, unosi się z powietrzem, a w chłodniejszych warstwach skrapla się w chmurach. Potem spada jako deszcz lub śnieg, spływa rzekami do mórz i znowu paruje. Dzięki temu woda nie znika, tylko zmienia miejsce i stan skupienia.

Obieg wody: parowanie z mórz i lądów, unoszenie pary, skraplanie w chmurach, opad i spływ z powrotem do morza. Woda zmienia stan skupienia, ale nie znika.

Zrób doświadczenie: zimna pokrywka i kropelki
Potrzebujesz: szklanki z zimną wodą, drugiej szklanki z gorącą wodą (pod opieką dorosłego), zimnej metalowej pokrywki lub spodka i kostki lodu.
1. Postaw szklankę z zimną wodą na stole i obserwuj jej zewnętrzne ścianki przez kilka minut.
2. Nad szklanką z gorącą wodą przytrzymaj zimną pokrywkę (możesz położyć na niej kostkę lodu).
3. Obserwuj, z której strony pokrywki pojawiają się kropelki.
Przewidź: Czy kropelki pojawią się na zewnętrznej szklance od razu? Po której stronie zimnej pokrywki skropli się woda? Zapisz przewidywania przed obserwacją.
Wyjaśnienie: Para wodna z powietrza i z gorącej wody ochładza się przy zimnych powierzchniach. Skrapla się na nich w kropelki, bo temperatura spada poniżej punktu rosy.

Zapamiętaj

Parowanie zachodzi z powierzchni cieczy w każdej temperaturze. Przyspieszają je wyższa temperatura, większa powierzchnia, wiatr i suche powietrze.
Wrzenie zachodzi w całej objętości w określonej temperaturze. Woda wrze w 100 °C przy normalnym ciśnieniu; niższe ciśnienie obniża temperaturę wrzenia.
Skraplanie to przejście pary w ciecz. Para wodna jest niewidoczna, a mgła, rosa i kropelki na szybie to już skroplona woda.

7. Dlaczego zimna szklanka wyjęta z lodówki pokrywa się kropelkami wody?

Woda przesącza się przez szkło z wnętrza szklanki. Para wodna z powietrza skrapla się na zimnej powierzchni. Szkło wydziela wodę, którą zawierało w swojej strukturze. Kropelki powstają z tłuszczu osadzającego się na szklance.

8. Co to jest punkt rosy?

Temperatura, w której woda w powietrzu zaczyna wrzeć. Temperatura, w której lód zamienia się bezpośrednio w parę. Temperatura, w której powietrze przestaje zawierać parę wodną. Temperatura, w której para wodna zaczyna się skraplać.

9. Nad gotującym się garnkiem widzisz białą mgiełkę. Czym ona jest?

Drobnymi kropelkami wody powstałymi ze skroplonej pary. Niewidoczną parą wodną, która właśnie opuszcza garnek. Dymem powstającym z rozkładu wody w wysokiej temperaturze. Powietrzem ogrzanym do temperatury wyższej niż 100 °C.