W kilku województwach rozpoczynają się ferie zimowe, co z pewnością będzie wiązać się z uprawianiem przez was rozmaitych sportów zimowych. Łyżwiarstwo na przykład ściśle związane jest z powszechnie występującym na Ziemi monotlenkiem diwodoru…

Woda jest swego rodzaju fenomenem pod względem właściwości fizykochemicznych. W zakresie temperatur, w jakich możliwe jest funkcjonowanie organizmu człowieka, substancja ta występuje we wszystkich trzech stanach skupienia – stałym, ciekłym oraz gazowym. Możliwe przemiany fizyczne wody oraz ich nazwy ilustruje schemat:

Miłośnicy sportów zimowych doskonale wiedzą, że obecność śniegu zdecydowanie ułatwia jazdę na nartach, łyżwach, czy poruszanie się saniami. Dlaczego jednak jest to możliwe? Aby odpowiedzieć na to pytanie powinniśmy przeanalizować tzw. diagram fazowy wody. Jest to wykres ilustrujący równowagi, jakie ustalają się między postaciami jej stanów skupienia, w zależności od ciśnienia oraz temperatury:

Na zamieszczonym wyżej diagramie fazowym poszczególne krzywe (A, B i C) oraz punkt PP oznaczają:

A – krzywa krzepnięcia/topnienia, która opisuje równowagę jaka ustala się między fazą stałą (lód) a wodą ciekłą. Każdy z punktów należących do tej krzywej reprezentuje takie warunki ciśnienia i temperatury, w których współistnieją ze sobą kryształek lodu i kropla cieczy.

B – krzywa kondensacji/parowania, która opisuje równowagę jaka ustala się między wodą ciekłą a parą wodną. Każdy z punktów należących do tej krzywej reprezentuje takie warunki ciśnienia i temperatury, w których współistnieją ze sobą kropla cieczy i pęcherzyk pary wodnej.

C – krzywa sublimacji/resublimacji, , która opisuje równowagę jaka ustala się między lodem (woda w stałym stanie skupienia) a parą wodną. Każdy z punktów należących do tej krzywej reprezentuje takie warunki ciśnienia i temperatury, w których współistnieją ze sobą kryształek lodu i pęcherzyk pary wodnej.

PP – to tzw. punkt potrójny, czyli takie warunki ciśnienia i temperatury, w których woda występuje jednocześnie we wszystkich trzech stanach skupienia – ciała stałego (lód), cieczy oraz pary. Oznacza to, że w równowadze ze sobą pozostają wówczas kropla cieczy, pęcherzyk pary wodnej oraz kryształek lodu.

Jak to działa?

Załóżmy, że pod stałym ciśnieniu p_xy ogrzejemy od temperatury T₁ do temperatury T₂ próbkę wody, co schematycznie przedstawia zielona strzałka:

W punkcie X (odpowiadającym temperaturze T₁) panują takie warunki, że woda jest w stałym stanie skupienia (lód), a w punkcie Y (odpowiadającym temperaturze T₂) panują warunki, w których woda jest cieczą. Jeśli zatem będziemy poruszać się torem wskazanym przez zieloną strzałkę, to w miarę wzrostu temperatury próbki trafimy na krzywą topnienia (A), co skutkować będzie zaobserwowaniem pojawienia się kropli cieczy. Poruszając się dalej we wskazanym przez zieloną strzałkę kierunku opuścimy opisany stan równowagi. Kryształek lodu zniknie, a w układzie występować będzie jedynie woda w postaci ciekłej (punkt Y).

Zastanów się teraz, co by się stało, gdybyśmy od punktu Y podążali dalej przy tym samym ciśnieniu p_xy, ale przy coraz to wyższej temperaturze…

Masz rację, trafimy na krzywą parowania (B), czyli będziemy mieć takie warunki, w których w równowadze będzie występować kropla cieczy oraz pęcherzyk pary wodnej. Jeśli ponownie zwiększymy temperaturę, kropla cieczy zniknie, a woda będzie występować już wyłącznie w stanie pary.

No dobrze, ale co z tymi łyżwami?

Każde ciało na powierzchni Ziemi wywiera nacisk na podłoże, na którym aktualnie się znajduje. Oznacza to, że działamy wtedy pewną określoną siłą na jednostkę powierzchni. Przeanalizujmy sytuację, w której znalazł się rzeczony łyżwiarz przyjmując, że temperatura otoczenia wynosi -5 ^oC, a ciśnienie powietrza równe jest 1013 hPa. Jeśli łyżwiarz stanie na powierzchni lodu, wówczas wywierał on będzie na jego powierzchnię ciśnienie o wartości p_Ł. Nanieśmy te parametry na diagram fazowy wody i poprowadźmy czerwone linie przerywane. Punkt ich przecięcia (Ł) wskaże nam stan skupienia wody w opisanych warunkach:

Z diagramu fazowego wynika, że w takich warunkach zadane parametry ciśnienia i temperatury odpowiadają wodzie w ciekłym stanie skupienia (czerwone linie przerywane przecinają się w punkcie Ł). Dlaczego tak się dzieje? W wyniku dostatecznie wysokiego ciśnienia wywieranego przez łyżwiarza, między łyżwą a lodem pojawia się cienka warstwa ciekłej wody, która zmniejsza tarcie między wspomnianymi powierzchniami.

To właśnie dzięki opisanemu zjawisku możemy poruszać się saniami w kuligu czy uprawiać sporty zimowe – łyżwiarstwo, narciarstwo oraz wiele innych dyscyplin. Należy jednak pamiętać również o negatywnych jego aspektach, takich jak niekontrolowany poślizg samochodu, czy możliwość doznania urazu w wyniku przewrócenia się na powierzchni lodu…

Czy wiesz, że zadanie z diagramem fazowym trafiło się już na maturze? Jego treść znajdziesz pod tym linkiem.

Spodobał Ci się ten artykuł? Polub mój fanpage na Facebooku oraz na Instagramie, aby nie ominęły Cię żadne nowości.

© dr inż. Rafał Szczypiński, wszelkie prawa zastrzeżone