Fázový diagram vody

1. Úkol: Ověření fázového diagramu vody

Čas: 2 vyučovací hodiny

Pomůcky a materiál: Vývěva s manometrem, kádinka, teploměr, dvě misky, kostičky ledu, 6x PET lahev s ledem, dvě tenké struny, jedna silnější struna, 4x závaží 3 až 5 kg, 2x závaží 5 až 8 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 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. Na ose p je obvykle logaritmická stupnice.

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.

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
6. Měříme čas potřebný k proříznutí ledu

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, a zapíšeme do tabulky
5. Pokus opakujeme s vodou o jiné teplotě

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, měříme dobu potřebnou pro roztáni nebo vysublimování ledu
4. Pokus opakujeme za jiného tlaku

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.