TOPNÁ KŘIVKA: CO TO JE, JAK SE TO DĚLÁ, PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Topné křivky je grafické znázornění, jak se teplota vzorku se mění jako funkce času, udržování konstantního tlaku a přidáním teplo rovnoměrně, to znamená, že při konstantní rychlosti.

Pro vytvoření grafu tohoto typu se vezmou dvojice hodnot teploty a času, které se později graficky znázorní umístěním teploty na svislou osu (souřadnice) a čas na vodorovnou osu (vodorovná osa).

Obrázek 1. Ohřívací křivka látky se získá přidáním tepla a změřením teploty v každém určitém časovém intervalu. Zdroj: Pixabay.

K těmto experimentálním bodům se pak nasadí nejvhodnější křivka a nakonec se získá graf teploty T jako funkce času t: T (t).

Co je to topná křivka?

Jak se zahřívá, prochází látka postupně různými stavy: z pevné látky se může stát pára, která téměř vždy prochází kapalným stavem. Tyto procesy se nazývají změny stavu, ve kterých vzorek zvyšuje svou vnitřní energii při přidávání tepla, jak ukazuje molekulární kinetická teorie.

Při přidávání tepla do vzorku existují dvě možnosti:

- Látka zvyšuje svoji teplotu, protože její částice jsou silně promíchány.

- Materiál prochází fázovou změnou, ve které teplota zůstává konstantní. Přidání tepla má do určité míry za následek oslabení sil, které drží částice pohromadě, a proto je například snadné přejít z ledu na kapalnou vodu.

Obrázek 2 ukazuje čtyři stavy hmoty: pevná látka, kapalina, plyn a plazma a názvy procesů, které umožňují přechod mezi nimi. Šipky označují směr procesu.

Obrázek 2. Stavy hmoty a procesy nutné k přechodu mezi sebou. Zdroj: Wikimedia Commons.

-State změny v látce

Počínaje vzorkem v pevném stavu, když se roztaví, přechází do kapalného stavu, když se vypařuje, promění se v plyn a ionizací se přemění v plazmu.

Pevná látka může být převedena přímo na plyn postupem známým jako sublimace. Existují látky, které se snadno sublimují při pokojové teplotě. Nejznámější je CO ₂, nebo suchý led, jakož i naftalen a jod.

Zatímco vzorek prochází změnou stavu, teplota zůstává konstantní, dokud nedosáhne nového stavu. To znamená, že pokud například máte část tekuté vody, která dosáhla bodu varu, její teplota zůstává konstantní, dokud se veškerá voda nezmění na páru.

Z tohoto důvodu se očekává, že křivka oteplování bude složena z kombinace zvětšujících se úseků a vodorovných úseků, kde tyto odpovídají fázovým změnám. Jedna z těchto křivek je znázorněna na obrázku 3 pro danou látku.

Obrázek 3. Topná křivka dané látky s typickou konfigurací založenou na schodech a svazích.

Interpretace topné křivky

V růstových intervalech ab, cd a ef se látka nachází jako pevná látka, kapalina a plyn. V těchto oblastech se zvyšuje kinetická energie a tím i teplota.

Zatímco v bc mění svůj stav z pevné na kapalnou, proto obě fáze koexistují. To se děje v části, ve které se vzorek mění z kapaliny na plyn. Zde se mění potenciální energie a teplota zůstává konstantní.

Je také možný reverzní postup, to znamená, že vzorek může být ochlazen tak, aby postupně přijímal další stavy. V tomto případě mluvíme o chladicí křivce.

Topné křivky mají stejný obecný vzhled pro všechny látky, i když samozřejmě nemají stejné číselné hodnoty. Změny stavu některých látek trvají déle než jiné a při různých teplotách se tají a odpařují.

Tyto body se označují jako bod tání a bod varu a jsou charakteristikou každé látky.

Proto jsou topné křivky velmi užitečné, protože ukazují číselnou hodnotu těchto teplot pro miliony látek, které existují jako pevné látky a kapaliny v rozmezí teplot považovaných za normální a za atmosférického tlaku.

Jak si zahřejete křivku?

V zásadě je to velmi jednoduché: jednoduše vložte vzorek látky do nádoby vybavené míchadlem, vložte teploměr a rovnoměrně zahřejte.

Současně se na začátku postupu aktivují stopky a čas od času se zaznamenají odpovídající páry teplot-čas.

Zdrojem tepla může být plynový hořák s dobrou rychlostí zahřívání nebo elektrický odpor, který při zahřívání vydává teplo, který může být připojen k proměnnému zdroji pro dosažení různých výkonů.

Pro větší přesnost existují v chemické laboratoři široce používané techniky:

- Diferenční termická analýza.

- Diferenční skenovací kalorimetrie.

Srovnávají teplotní rozdíl mezi studovaným vzorkem a jiným referenčním vzorkem s vysokou teplotou tání, téměř vždy oxidem hlinitým. Pomocí těchto metod je snadné najít body tání a varu.

Příklady (voda, železo…)

Zvažte topné křivky pro vodu a železo znázorněné na obrázku. Časová stupnice není zobrazena, je však okamžitě možné rozlišit teploty tání pro obě látky, které odpovídají bodu B každého grafu: pro vodu 0 ° C, pro železo 1500 ° C.

Obrázek 4. Topné křivky pro vodu a železo.

Voda je univerzální látka a rozsah teplot potřebných k tomu, aby bylo vidět její změny stavu, je v laboratoři snadno dosažitelný. Pro železo jsou vyžadovány mnohem vyšší teploty, ale jak bylo uvedeno výše, tvar grafu se podstatně nemění.

Tání ledu

Při zahřívání vzorku ledu podle grafu jsme v bodě A, při teplotě pod 0 ° C. Je pozorováno, že teplota stoupá konstantní rychlostí, dokud nedosáhne 0 ° C.

Molekuly vody v ledu vibrují s větší amplitudou. Jakmile je dosaženo teploty tání (bod B), molekuly se již mohou pohybovat před sebou.

Energie, která přichází, je investována do snižování přitažlivé síly mezi molekulami, takže teplota mezi B a C zůstává konstantní, dokud se veškerý led neroztaví.

Proměnit vodu v páru

Jakmile je voda úplně v kapalném stavu, vibrace molekul se opět zvyšují a teplota se rychle zvyšuje mezi C a D až do bodu varu 100 ° C. Mezi D a E zůstává teplota na této hodnotě, zatímco energie, která přichází, zajišťuje, že veškerá voda v nádobě se vypaří.

Pokud mohou být všechny vodní páry obsaženy v nádobě, může pokračovat v zahřívání z bodu E do bodu F, jehož hranice není na grafu znázorněna.

Vzorek železa může projít stejnými změnami. Avšak vzhledem k povaze materiálu jsou teplotní rozsahy velmi odlišné.

Reference

1. Atkins, P. Principy chemie: Cesty objevu. Editorial Médica Panamericana. 219-221.
2. Chung, P. Topné křivky. Obnoveno z: chem.libretexts.org.
3. Topné křivky. Teplo fúze a odpařování. Obnoveno z: wikipremed.com.
4. Hewitte, Paule. 2012. Konceptuální fyzikální věda. 5. Ed. Pearson. 174-180.
5. University of Valladolid. Titul v oboru chemie, obnoveno z: accommodation.uva.es.