Fázový diagram vody

1. Úkol: Ověření fázového diagramu vody

Čas:  1 vyučovací hodina

Pomůcky a materiál: Vývěva s manometrem, kádinka, teploměr, dvě misky, kostičky ledu, PET lahev s ledem, tenká struna, závaží 3 až 5 kg.   

Hlavní a dílčí cíle:

Pochopení fázového diagramu vody a možnosti jeho ověřování.

Uvědomit si význam mimořádných vlastností  vody v přírodě a její význam pro vznik a udržení života

Mezipředmětové vztahy a přesahy:

biologie, ekologie, zeměpis, astronomie

Klíčové kompetence: Rozvíjíme kompetence k učení a řešení problémů.

2. Obecný úvod k tématu:

Voda (H₂O) je látka výjimečných vlastností, které mají zásadní vliv na vznik a udržování života na Zemi. Velká měrná tepelná kapacita vody stabilizuje v přírodě teplotu. Anomálie vody například umožňuje přezimování vodních živočichů. Menší hustota ledu v porovnání s vodou udržuje průtočnost zamrzlých toků, sněhová pokrývka chrání zem před promrzáním a podobně. Hlubší pochopení těchto vlastností a jejich souvislostí nám umožní podrobné prostudování fázového diagramu.

Fázový diagram vody je p-t diagram, ve kterém je znázorněn stav látky (zde H₂O) v závislosti na tlaku p a teplotě t. Diagram je rozdělen na tři pole podle skupenství, jsou v něm zakresleny tři křivky: křivka tání oddělující pevné a kapalné skupenství, křivka syté páry oddělující skupenství kapalné a plynné a křivka sublimační oddělující pevné a plynné skupenství. Dále obsahuje dva význačné body: trojný bod T a kritický bod K.

Trojný bod představuje jedinou dvojici teploty a tlaku, při kterých mohou být v rovnováze všechna tři skupenství.

Kritický bod je dán maximální teplotou, při které ještě může být látka v kapalném stavu. Při této teplotě se vyrovná hustota kapaliny a její syté páry.

Křivka tání je obvykle rostoucí, jen pro vodu je klesající. Znamená to, že u vody se s rostoucím tlakem teplota tání snižuje.

Obr. 1 - fázový diagram vody:

Poznámky k obrázku:

Na vodorovné ose je znázorněna teplota od  – 100°C do 374,15°C. Při vyšší teplotě již neexistuje tekutá voda, může být jen vodní pára. Na svislé ose je zobrazen tlak v pascalech. Stupnice je zde logaritmická, to zde znamená, že při desetinásobném zvýšení tlaku se na ose posuneme o jeden zvolený dílek. Při zvětšení stlaku stonásobném o dva dílky a tak dále.

3. Pracovní postup (v bodech):

Ověření snižování teploty tání při zvyšování tlaku:

1. V PET lahvích necháme zmrznout vodu
2. Mezi dvě lavice položíme dva dřevěné metry
3. Strunou spojíme dvě stejná závaží
4. Ve zúženém místě odřízneme plast z láhve
5. PET láhev položíme na dřevěné metry a přes obnažený led zavěsíme strunu se závažími, na podlahu pod láhev dáme lavor s molitanem nebo jinou měkkou látkou pro ztlumení nárazu padajících závaží

Obr. 2 - regelace ledu:

Poznámky k obrázku:

Modrý kruh představuje led o teplotě t, počáteční teplota musí být nižší než –5 °C. Žluté obdélníky představují závaží o stejné hmotnosti (každé 3 až 5 kg). Na obrázku je již znázorněno „zařezávání“ struny do ledu.

Vysvětlení pokusu:

Pod tenkou strunou se vytváří veliký tlak . Tím se sníží teplota tání na hodnotu menší než je teplota ledu a led pod strunou roztaje. Vzniklá voda je vytlačena nad strunu, kde již je normální tlak a voda znovu zamrzne. Struna se tak postupně prořezává ledem, aniž by jej rozdělila na dvě části.

Měření teploty varu vody za sníženého tlaku

1. Kádinku s vodou a teploměrem vložíme pod recipient vývěvy
2. Zapneme odsávání
3. Pozorujeme teploměr a manometr
4. Odečteme teplotu a tlak, při kterých nastal var
5. Pokus opakujeme s vodou o jiné teplotě
6. Výsledky zapisujeme do tabulky
7. Naměřené hodnoty vyneseme do grafu (stupnice na ose p je logaritmická)

Vysvětlení pokusu:

Na základě měření zjišťujeme, že voda může vařit i za nižšího tlaku než 100°C. Teplota varu vody se s klesajícím tlakem také zmenšuje.

Pozorování sublimace

1. Jednu misku s kostkou ledu položíme na stůl, druhou vložíme pod recipient vývěvy
2. Zapneme odsávání, udržujeme tlak na určité úrovni
3. Pozorujeme led na obou miskách.

Vysvětlení a průběh pokusu:

Led v misce na stole se nejprve ohřívá na teplotu tání (což nevidíme) a další teplo získávané tepelnou výměnou s okolním vzduchem a podložkou způsobuje tání ledu.

Led pod recipientem vývěvy se také ohřívá, ale zároveň sublimuje. Pozorujeme zmenšování objemu ledu, aniž vzniká odpovídající množství vody.

Tabulka pro měření závislosti teploty varu vody na vnějším tlaku:

Graf pro měření závislosti teploty varu vody na vnějším tlaku:

4. Metodické poznámky:

1. Pokus s regelací ledu je třeba zahájit vždy na začátku hodiny, je třeba počítat s delším průběhem. Pokud led připravujeme v „mrazáku“ s teplotou nižší než – 15°C, je vhodné láhev s ledem vyjmout zhruba dvacet minut před začátkem hodiny.
2. Trojný bod udává nejnižší tlak, při kterém může látka existovat v kapalném skupenství. Za nižší ho tlaku může být H₂O pouze ve skupenství pevném – led, nebo ve skupenství plynném – vodní pára. Nižší než tlak trojného bodu vody je například atmosférický tlak na Marsu.
3. Kritický bod udává nejvyšší teplotu, při kterém může látka existovat v kapalném skupenství. Za teploty vyšší než asi 374°C může být H₂O pouze ve formě vodní páry. Vyšší teplota je například v atmosféře Venuše.
4. Křivka tání je klesající pro látku, která má v pevném skupenství menší hustotu než ve skupenství kapalném. Za zvýšeného tlaku se látka „snaží“ zaujmout to skupenství, ve kterém má větší hustotu.

5. Očekávané výstupy RVP ZV (základní vzdělávání):

Žák: na základě provedených měření a pozorování lépe pochopí a zapamatuje si fázový diagram vody, lépe porozumí mimořádným vlastnostem vody a jejímu významu v přírodě a ve vesmíru.