CURBA DE ÎNCĂLZIRE: CE ESTE, CUM SE FACE, EXEMPLE - FIZIC - 2025

O curbă de încălzire este reprezentarea grafică a modului în care temperatura unui eșantion variază în funcție de timp, menținând presiunea constantă și adăugând căldura uniform, adică într-un ritm constant.

Pentru a construi un grafic de acest tip, sunt luate perechi de valori de temperatură și timp, care sunt ulterior grafiate prin plasarea temperaturii pe axa verticală (ordonată) și timpul pe axa orizontală (abscisa).

Figura 1. Curba de încălzire a unei substanțe se obține prin adăugarea căldurii și măsurarea temperaturii la fiecare anumit interval de timp. Sursa: Pixabay.

Apoi, curba cea mai potrivită este montată pe aceste puncte experimentale și în final se obține un grafic al temperaturii T în funcție de timpul t: T (t).

Care este curba de încălzire?

Pe măsură ce este încălzită, o substanță trece prin diferite stări succesive: de la a fi un solid poate deveni un vapor, trecând aproape întotdeauna prin starea lichidă. Aceste procese se numesc modificări de stare, în care eșantionul își crește energia internă în timp ce se adaugă căldură, așa cum este indicat de teoria cinetică moleculară.

Când adăugați căldură la o probă, există două posibilități:

- Substanța își crește temperatura, având în vedere că particulele sale sunt agitate cu intensitate mai mare.

- Materialul trece printr-o schimbare de fază, în care temperatura rămâne constantă. Adăugarea de căldură are ca efect slăbirea într-o anumită măsură a forțelor care țin particulele împreună, motiv pentru care este ușor să treci de la gheață la apă lichidă, de exemplu.

Figura 2 prezintă cele patru stări ale materiei: solid, lichid, gaz și plasmă, precum și numele proceselor care permit tranziția între ele. Săgețile indică direcția procesului.

Figura 2. Starea materiei și procesele necesare pentru a trece între una și alta. Sursa: Wikimedia Commons.

-Schimbări de stare ale unei substanțe

Începând cu o probă în stare solidă, când se topește trece în stare lichidă, când se vaporizează se transformă într-un gaz și prin ionizare se transformă în plasmă.

Solidul poate fi transformat direct într-un gaz printr-un proces cunoscut sublimarea. Există substanțe care se sublimează ușor la temperatura camerei. Cel mai cunoscut este CO ₂ sau gheață uscată, precum și naftalen și iod.

În timp ce proba suferă o schimbare de stare, temperatura rămâne constantă până când ajunge la noua stare. Aceasta înseamnă că, de exemplu, aveți o porție de apă lichidă care a atins punctul de fierbere, temperatura acesteia rămâne constantă până când toată apa s-a transformat în abur.

Din acest motiv, curba de încălzire este de așteptat să fie compusă dintr-o combinație de secțiuni în creștere și secțiuni orizontale, unde acestea din urmă corespund modificărilor de fază. Una din aceste curbe este prezentată în figura 3 pentru o substanță dată.

Figura 3. Curba de încălzire a unei substanțe date, cu configurația tipică bazată pe trepte și pante.

Interpretarea curbei de încălzire

În intervalele de creștere ab, cd și ef substanța este găsită ca un solid, respectiv lichid și gaz. În aceste regiuni energia cinetică crește și odată cu ea temperatura.

În timp ce în bc își schimbă starea de la solid la lichid, prin urmare cele două faze coexistă. Acest lucru se întâmplă în secțiunea din, în care eșantionul se schimbă de la lichid la gaz. Aici energia potențială se schimbă, iar temperatura rămâne constantă.

Procedura inversă este de asemenea posibilă, adică eșantionul poate fi răcit pentru a adopta succesiv alte stări. În acest caz vorbim de o curbă de răcire.

Curbele de încălzire au același aspect general pentru toate substanțele, deși nu sunt desigur aceleași valori numerice. Unele substanțe durează mai mult decât altele pentru a schimba starea și se topesc și se vaporizează la diferite temperaturi.

Aceste puncte sunt cunoscute drept punct de topire și punct de fierbere și sunt caracteristici ale fiecărei substanțe.

De aceea, curbele de încălzire sunt foarte utile, deoarece acestea indică valoarea numerică a acestor temperaturi pentru milioane de substanțe care există ca solide și lichide în intervalul de temperaturi considerate normale și la presiunea atmosferică.

Cum faceți o curbă de încălzire?

În principiu, este foarte simplu: introduceți pur și simplu o probă de substanță într-un recipient prevăzut cu agitator, introduceți un termometru și încălziți uniform.

Simultan, la începutul procedurii, este activat un cronometru și se notează din când în când perechile de temperatură-timp corespunzătoare.

Sursa de căldură poate fi un arzător cu gaz, cu o rată de încălzire bună sau o rezistență electrică care emite căldură atunci când este încălzită, care poate fi conectată la o sursă variabilă pentru a atinge puteri diferite.

Pentru o precizie mai mare, există două tehnici utilizate pe scară largă în laboratorul de chimie:

- Analiza termică diferențială.

- Calorimetrie de scanare diferențială.

Ele compară diferența de temperatură dintre eșantionul studiat și un alt eșantion de referință cu o temperatură ridicată de topire, aproape întotdeauna un oxid de aluminiu. Cu aceste metode este ușor să găsiți punctele de topire și fierbere.

Exemple (apă, fier …)

Luați în considerare curbele de încălzire pentru apă și fier, prezentate în figură. Scala de timp nu este arătată, însă este imediat să se distingă temperaturile de topire pentru ambele substanțe care corespund punctului B al fiecărui grafic: pentru apă 0 ºC, pentru fier 1500 ºC.

Figura 4. Curbele de încălzire pentru apă și fier.

Apa este o substanță universală, iar gama de temperaturi necesare pentru a vedea schimbările de stare ale acesteia este ușor de obținut în laborator. Pentru fier sunt necesare temperaturi mult mai ridicate, dar după cum s-a menționat mai sus, forma graficului nu se modifică substanțial.

Topirea gheții

La încălzirea eșantionului de gheață, în conformitate cu graficul ne aflăm în punctul A, la o temperatură sub 0 ° C. Se observă că temperatura crește în ritm constant până la 0ºC.

Moleculele de apă din gheață vibrează cu o amplitudine mai mare. Odată ce temperatura de topire (punctul B) este atinsă, moleculele se pot deplasa deja unul față de celălalt.

Energia care ajunge este investită în reducerea forței atractive dintre molecule, astfel încât temperatura dintre B și C rămâne constantă până când toată gheața s-a topit.

Transformarea apei în abur

Odată ce apa este complet în stare lichidă, vibrația moleculelor crește din nou și temperatura crește rapid între C și D până la punctul de fierbere de 100 ° C. Între D și E temperatura rămâne la acea valoare în timp ce energia care ajunge asigură că toată apa din recipient se evaporă.

Dacă toată vaporul de apă poate fi conținut într-un recipient, acesta poate continua încălzirea din punctul E până în punctul F, a cărei limită nu este indicată în grafic.

Un eșantion de fier poate trece prin aceleași schimbări. Cu toate acestea, având în vedere natura materialului, intervalele de temperatură sunt foarte diferite.

Referințe

1. Atkins, P. Principiile chimiei: căile descoperirii. Editorial Médica Panamericana. 219-221.
2. Chung, P. Curbe de încălzire. Recuperat din: chem.libretexts.org.
3. Curbe de încălzire. Căldură de fuziune și vaporizare. Recuperat de la: wikipremed.com.
4. Hewitt, Paul. 2012. Știința fizică conceptuală. 5-a. Ed. Pearson. 174-180.
5. Universitatea din Valladolid. Licențiat în chimie, recuperat din: lodging.uva.es.