Zmiany energii wewnętrznej ciał – ogrzewanie i ochładzanie substancji

Najczęstszym skutkiem zmiany energii wewnętrznej ciała jest przyrost jego temperatury. W przypadku gazów jest nawet całkiem ścisła reguła – dostarczenie energii wewnętrznej powoduje zwiększenie temperatury w stopniu odpowiadającym ilości tej energii.

Jednak ta prosta reguła zawodzi w przypadku zbliżania się z temperaturą do temperatury przejścia fazowego – czyli np. topnienia, wrzenia.

Np. jeżeli początkowo dysponujemy bryłą lodu o temperaturze –30°C, to ogrzewanie tej bryły będzie zwiększać temperaturę: –25°C, –20°C, –15°C, –10°C, –5°C, aż do 0°C. Tutaj jednak ta prosta reguła ulegnie załamaniu – przy  0°C (przy ciśnieniu normalnym) dostarczanie ciepła nie spowoduje zmiany temperatury lodu. Przynajmniej przez pewien czas. Zamiast tego lód zacznie się topić.

Dopiero po stopieniu całego lodu, powstała z niego woda zacznie reagować po staremu – podgrzanie będzie powodować zwiększenie temperatury. Jednak będzie tak tylko do pewnej granicy – przy 100°C dostarczanie ciepła, zamiast zwiększenia temperatury wody, spowoduje jej kolejne przejście fazowe – wrzenie. Dopiero po zamianie całej wody w parę, ogrzewanie wody w stanie lotnym będzie już zachodzić bez większych niespodzianek, aż do dość wysokich temperatur (ale nie bardzo wysokich! - bo np. w temperaturach wielu tysięcy stopni stanowiące parę cząsteczki wody ulegają rozpadowi na poszczególne atomy, czyli atomy tlenu i wodoru).

Podobny wykres jak dla wody ma większość substancji. Pewne wyjątki mogą zachodzić dla ciał stałych bezpostaciowych – dla nich topnienie nie zachodzi w stałej temperaturze – zamiast jednego punktu przemiany fazowej mamy proces mięknięcia, podczas którego temperatura powoli rośnie podczas zmiany fazy stałej na ciekłą.

Podsumowanie - etapy ogrzewania substancji

Przyjrzyjmy się jeszcze raz temu schematowi ogrzewania lodu. Wypunktujmy wszystkie etapy przemiany od lodu, aż do osiągnięcia stanu pary wodnej:

ogrzewanie lodu – temperatura rośnie proporcjonalnie do dostarczonej energii. Aż do osiągnięcia 0°C.
topienie lodu – na tym odcinku, mimo dostarczania ciepła, temperatura pozostaje stała – cały czas  0°C.
ogrzewanie wody powstałej z lodu – na tym etapie nie mamy już wcale lodu, ale jest powstała z niego woda. Wskutek ogrzewanie tej wody, jej temperatura będzie wzrastała. Aż do 100°C.
Wrzenie – po osiągnięciu temperatury 100° woda nie będzie już zwiększała swojej temperatury, mimo dopływu ciepła. Cała energia zostanie od tego momentu pochłaniana przez proces wrzenia (parowania w całej objętości) wody.
Po zakończeniu zamiany wody w parę, dalsze dostarczanie ciepła będzie powodowało wzrost temperatury pary. Można ją w ten sposób ogrzać do temperatur przekraczających 1000°C.

 Opisany schemat obowiązuje oczywiście nie tylko dla lodu, ale dla większości substancji.