Article sobre canvis de fase Temperatura crítica Punt triple
En la discussió de la llei dels gasos ideals, s'ha explicat que la llei dels gasos ideals descriu el comportament del gas real amb precisió només quan la pressió i la densitat del gas real no són massa grans. Si la pressió i la densitat del gas real són prou grans, la llei dels gasos ideals proporciona resultats inexactes, de la mateixa manera, quan la temperatura del gas real s'acosta al punt d'ebullició. Això està relacionat amb les interaccions que es produeixen entre les molècules de gas reals. La pressió del gas és inversament proporcional al volum del gas. Quan la pressió del gas és prou gran, el volum del gas es fa més petit. Com que el volum del gas és baix, la distància entre les molècules de gas s'acosta. Quan la distància entre les molècules s'acosta, les molècules s'atrauen entre si. És com quan poses un tros de ferro sobre un imant. Si la distància entre l'imant i el ferro és prou gran, l'imant no pot atreure el ferro. Però si la distància entre l'imant i el ferro és curta, el ferro s'acosta.
Així doncs, les molècules de gas es comporten com un imant. Quan la distància entre les molècules és prou propera, les molècules s'acosten. La força d'atracció fa que la distància entre les molècules s'acosti (el volum del gas es fa més petit). Normalment, això passa quan la pressió del gas és prou gran (pressió gran, volum baix. Volum petit, la distància entre les molècules s'acosta). Per tant, la llei dels gasos ideals no proporciona resultats precisos quan la pressió i la densitat del gas real són grans.
Diagrama de pressió vs. volum de pressió
Per entendre millor el problema anterior, revisem el diagrama, que indica la relació entre la pressió del gas i el volum. Les corbes 1, 2, 3 i 4 mostren el mateix comportament del gas a diferents temperatures. La temperatura del gas que es mostra a la corba 1 és més alta que la de la corba 2. La temperatura del gas que es mostra a la corba 2 és més alta que la de la corba 3. La temperatura del gas que es mostra a la corba 3 és més alta que la de la corba 4. La corba és la barra inclinada al mig del diagrama. La temperatura del gas sempre és fixa, cosa que només canvia la pressió (P) i el volum (V) del gas.
Segons la llei dels gasos ideals, la línia que comença des del número 1 ha d'acabar al número 1. De la mateixa manera, la línia que comença des del número 2 ha d'acabar al número 2. La realitat que experimenta el gas real no és la prevista per la llei dels gasos ideals. Quan la pressió del gas és prou gran, el volum del gas es fa més petit i es desvia de la prevista per la llei dels gasos ideals (compareu amb la corba 1 i la corba 2). La quantitat de desviació del volum del gas també depèn de la temperatura. Si la temperatura del gas és més baixa i s'acosta al punt de fusió, és a dir, al punt d'ebullició (punt b), el gas sol experimentar una desviació de volum més significativa que quan la temperatura és més alta (compareu les corbes 1, 2, 3 i 4). Influenciat per la presència d'atracció entre les molècules del gas, com s'ha explicat anteriorment.
La corba 3 del diagrama anterior mostra el comportament d'una substància a la seva temperatura crítica. El punt c que passa per la corba tres s'anomena punt crític. A temperatures superiors a la temperatura crítica, la forma del gas no pot canviar a una forma líquida, tot i que se li dóna una pressió considerable (compareu amb la corba 2 i la corba 1). La pressió donada només fa que el volum del gas sigui més petit, però no pot convertir el gas a líquid. Per contra, a temperatures inferiors a la temperatura crítica, el gas canviarà a líquid si se li dóna una pressió absoluta (compareu amb la corba 3). La quantitat de pressió que pot convertir el gas a líquid a una temperatura crítica es coneix com a pressió crítica. Cada substància té una temperatura crítica i una pressió crítica diferents.
La corba 4 del diagrama anterior mostra el procés de canvi de gas a líquid. L'àrea ombrejada (que s'assembla a una muntanya) és una àrea on el gas i el líquid estan en equilibri. Al principi, el volum del gas és gran. Després que la pressió del gas augmenta, el volum del gas es fa més petit fins que arriba al punt b (el punt b és el punt de fusió, també conegut com el punt d'ebullició). Quan arriba al punt b, el gas comença a convertir-se en líquid. Durant el procés de canvi de gas a líquid (del punt b al punt a), el volum de la substància es fa més petit tot i que no hi ha cap augment de pressió (marcat amb una línia recta). Al punt a, tots els gasos s'han convertit en líquid. Després d'arribar al punt a, afegir pressió a la substància només resulta en un canvi de volum mínim (marcat per una corba molt pronunciada).
A la vida quotidiana, sovint fem servir els termes vapor i gas. Per exemple, vapor d'aigua o nitrogen gasós. Gairebé mai ens referim al vapor d'aigua com a gas d'aigua, tot i que el vapor d'aigua és gas de l'aigua. El mateix passa amb el nitrogen, l'oxigen, etc. El nitrogen o l'oxigen es coneix comunament com a gas. El gas i el vapor tenen significats diferents. Si el gas d'una substància està per sota de la temperatura crítica del material, l'anomenem vapor. Per contra, si el gas d'una substància està per sobre de la temperatura crítica de la substància, l'anomenem gas.
Diagrama de pressió vs. Temperatura (Diagrama de fases)
Anteriorment s'ha descrit el comportament de les substàncies mitjançant un diagrama de pressió vs. volum. A més d'utilitzar el diagrama PV, el comportament de les substàncies es pot explicar mitjançant el diagrama de pressió (P) vs. temperatura (T). Els diagrames PT s'anomenen comunament diagrames de fase. S'anomenen diagrama de fase perquè aquest diagrama s'utilitza per comparar les fases d'una substància. Una de les substàncies que sovint canvia de fase és l'aigua.
El diagrama presenta tres corbes: les corbes d'evaporació, les corbes de fusió i les corbes de sublimació.
La corba d'evaporació mostra els punts on el líquid i el vapor estan en equilibri. El punt on el líquid i el vapor es formen en equilibri s'anomena punt de fusió, també conegut com a punt d'ebullició (anomenat punt de fusió perquè en aquest punt el vapor es pot fondre i transformar en aigua). Per tant, la corba d'evaporació és en realitat un gràfic que indica la relació entre la pressió (P) i el punt d'ebullició/temperatura de fusió. Sembla que com més petita és la pressió, més baixa és la temperatura del punt d'ebullició de l'aigua, o com més alta és la pressió, més alta és la temperatura del punt d'ebullició de l'aigua. A una pressió d'1 atm, la temperatura del punt d'ebullició de l'aigua és de 100 ° C. Per contra, a una pressió de 218 atm, la temperatura del punt d'ebullició de l'aigua és de 374 ° C.
La pressió de 218 atm també s'anomena pressió crítica de l'aigua, mentre que la temperatura de 374 ° C també s'anomena temperatura crítica de l'aigua. Si la temperatura del vapor és inferior a 374 ° C, el vapor pot canviar la seva fase a líquida si se li aplica una pressió de 374 ° C. La pressió no pot convertir el vapor en líquid si la temperatura és superior a 218 ° C.
La corba de fusió mostra els punts on el líquid i el sòlid estan en equilibri. El punt on el líquid i el sòlid estan en equilibri s'anomena punt de fusió o punt de congelació (anomenat punt de fusió perquè en aquest punt el gel es pot fondre en aigua. S'anomena punt de congelació perquè, en aquest punt, l'aigua es pot congelar en gel). Per tant, la corba de fusió és un gràfic que indica la relació entre la pressió (P) i el punt de fusió o temperatura de congelació. A una pressió d'1 atm, el punt de congelació de l'aigua (o el punt de fusió del gel) = 0 oC . En contrast amb la pressió de 218 atm, el punt de congelació de l'aigua (o punt de fusió del gel) és inferior a 0 oC . Cal tenir en compte que a una pressió d'1 atm, l'aigua està en líquid si la temperatura és entre 0 oC i 100 oC . L'aigua està en el sòlid si, a una pressió d'1 atm, la temperatura és inferior a 0 oC o l'aigua està en el vapor si, a una pressió d'1 atm, la temperatura supera els 100 oC.
La corba de sublimació mostra els punts on el sòlid i el vapor estan en equilibri 
L'equilibri s'anomena punt de sublimació. Per tant, la corba de sublimació és un gràfic que indica la relació entre la pressió (P) i la temperatura del punt de sublimació. La sublimació és el procés de transformar un sòlid en vapor, sense passar per un líquid. Normalment, la sublimació només es produeix a baixa pressió. El gel només es pot sublimar si la temperatura és inferior a 0.01 oC i la pressió és inferior a 0.006 atm. El punt on es tallen les tres corbes s'anomena punt triple.
A continuació es mostra un diagrama de fases per al diòxid de carboni. Cal tenir en compte que l'escala del diagrama de fases de l'aigua i del diagrama de fases de diòxid de carboni no és lineal.
