Změny materiálu ve stavu kritické teploty trojného bodu
V diskusi o zákonu ideálního plynu bylo vysvětleno, že zákon ideálního plynu přesně popisuje chování reálného plynu pouze tehdy, když tlak a hustota reálného plynu nejsou příliš vysoké. Pokud jsou tlak a hustota reálného plynu dostatečně velké, zákon ideálního plynu poskytuje nepřesné výsledky. To platí i tehdy, když se teplota reálného plynu blíží bodu varu.
To ve skutečnosti souvisí s interakcemi, ke kterým dochází mezi reálnými molekulami plynu. Tlak plynu je nepřímo úměrný objemu plynu. Když je tlak plynu dostatečně vysoký, objem plynu se zmenšuje. Protože je objem plynu malý, vzdálenost mezi molekulami plynu se zkracuje. Když je vzdálenost mezi molekulami kratší, molekuly se vzájemně přitahují. Je to podobné, jako když přiblížíte kus železa k magnetu. Pokud je vzdálenost mezi magnetem a železem dostatečně velká, magnet nemůže železo přitahovat. Pokud je však vzdálenost mezi magnetem a železem blízká, železo se k sobě přitahuje.
Molekuly plynu se tedy na obrázku výše chovají jako magnety a železo… Když je vzdálenost mezi molekulami dostatečně malá, molekuly se vzájemně přitahují. Přítomnost přitažlivých sil způsobuje, že se vzdálenost mezi molekulami zmenšuje (objem plynu se zmenšuje). Obvykle se to děje, když je tlak plynu dostatečně velký (vysoký tlak, malý objem. Malý objem, vzdálenost mezi molekulami se zmenšuje). Zákon o ideálním plynu proto nedává přesné výsledky, když jsou tlak a hustota reálného plynu dostatečně velké.
Diagram tlaku vs. objemu
Pro lepší pochopení výše uvedeného problému si prohlédněme diagram, který znázorňuje vztah mezi tlakem a objemem plynu. Křivky 1, 2, 3 a 4 ukazují chování stejného plynu při různých teplotách. Teplota plynu zobrazená na křivce 1 je vyšší než na křivce 2. Teplota plynu zobrazená na křivce 2 je vyšší než na křivce 3. Teplota plynu zobrazená na křivce 3 je vyšší než na křivce 4. Křivka je šikmá čára uprostřed diagramu. Teplota plynu zůstává vždy konstantní, mění se pouze tlak (P) a objem (V) plynu.
Podle zákona o ideálním plynu musí přímka začínající v bodě 1 končit v bodě 1. Stejně tak přímka začínající v bodě 2 musí končit v bodě 2. Realita reálných plynů neodpovídá předpovědím zákona o ideálním plynu. Když je tlak plynu dostatečně vysoký, objem plynu se zmenší a odchyluje se od předpovědí zákona o ideálním plynu (porovnej křivky 1 a 2). Velikost odchylky objemu plynu závisí také na teplotě. Pokud je teplota plynu nižší a blízká bodu tání, známému také jako bod varu (bod b), obvykle dochází k větší odchylce objemu plynu ve srovnání s teplotou vyšší (porovnej křivky 1, 2, 3 a 4). To je ovlivněno přitažlivými silami mezi molekulami plynu, jak bylo vysvětleno dříve.
Křivka 3 ve výše uvedeném diagramu znázorňuje chování látky při její kritické teplotě. Bod c, kterým křivka 3 prochází, se nazývá kritický bod. Při teplotách vyšších než kritická teplota se plyn nemůže změnit na kapalinu, a to ani při velmi vysokém tlaku (srovnej s křivkami 2 a 1). Aplikovaný tlak pouze zmenší objem plynu, ale nemůže jej změnit na kapalinu. Naopak při teplotách nižších než kritická teplota se plyn změní na kapalinu, pokud je aplikován určitý tlak (srovnej s křivkou 3). Velikost tlaku, která může změnit plyn na kapalinu při kritické teplotě, se nazývá kritický tlak. Každá látka má jinou kritickou teplotu a kritický tlak.
Křivka 4 na výše uvedeném diagramu znázorňuje proces přechodu z plynu na kapalinu. Stínovaná oblast (připomínající horu) je oblast, kde jsou plynná a kapalná fáze v rovnováze. Zpočátku je objem plynu poměrně velký. Po zvýšení tlaku plynu se objem plynu zmenšuje, dokud nedosáhne bodu b (bod b je bod tání, známý také jako bod varu). Když dosáhne bodu b, plyn se začne měnit na kapalinu. Během procesu přechodu z plynu na kapalinu (z bodu b do bodu a) se objem látky zmenšuje, i když nedochází ke zvýšení tlaku (označeno přímkou). V bodě a se veškerý plyn změnil na kapalinu. Po dosažení bodu a vede zvyšující se tlak na látku pouze k velmi malé změně objemu (označeno velmi strmým tvarem křivky).
V každodenním životě často používáme termíny pára a plyn. Například vodní pára nebo plynný dusík. Téměř nikdy vodní páru neodkazujeme na vodní plyn, i když vodní pára je ve skutečnosti plynná forma vody. Totéž platí pro dusík, kyslík atd. Dusík nebo kyslík se běžně označují jako plyny. Plyn a pára mají různý význam. Pokud je plynné skupenství látky pod kritickou teplotou látky, pak ji nazýváme párou. Naopak, pokud je plynné skupenství látky nad kritickou teplotou látky, pak ji nazýváme plynem.
Diagram tlaku vs. teploty (fázový diagram)
Dříve jsme vysvětlili chování látek pomocí diagramu tlaku vs. objemu. Kromě použití PV diagramu lze chování látek vysvětlit i pomocí diagramu tlaku (P) vs. teploty (T). PT diagram se běžně označuje jako fázový diagram. Nazývá se fázový diagram, protože se používá k porovnání fází neboli skupenství látky. Jednou z látek, která často prochází změnami skupenství, je voda.
V diagramu jsou tři křivky, a to křivka odpařování, křivka tání a křivka sublimace.
Křivka odpařování ukazuje body, kde se kapalina a pára nacházejí v rovnováze. Bod, kde se kapalina a pára nacházejí v rovnováze, se nazývá bod tání nebo bod varu (bod tání se nazývá proto, že v tomto bodě se pára může roztavit a přeměnit na vodu. Bod varu se nazývá proto, že v tomto bodě se voda může vařit a přeměnit na páru). Křivka odpařování je tedy ve skutečnosti graf, který uvádí vztah mezi tlakem (P) a bodem varu/teplotou tání. Zdá se, že čím menší je tlak, tím nižší je bod varu vody, nebo čím vyšší je tlak, tím vyšší je bod varu vody. Při tlaku 1 atm je bod varu vody = 100 ° C. Naopak při tlaku 218 atm je bod varu vody = 374 ° C.
Tlak 218 atm je také známý jako kritický tlak vody, zatímco teplota 374 ° C je také známá jako kritická teplota vody. Pokud je teplota páry nižší než 374 ° C, pak se pára může změnit na kapalinu, pokud je jí vystaven tlak 374 ° C. Žádný tlak nemůže změnit páru na kapalinu, pokud je teplota vyšší než 218 ° C.
Křivka tání ukazuje body, kde se kapalné a pevné skupenství nacházejí v rovnováze. Bod, kde se kapalné a pevné skupenství nacházejí v rovnováze, se nazývá bod tání nebo bod tuhnutí (bod tání se nazývá proto, že v tomto bodě se led může roztavit na vodu. Bod tuhnutí se nazývá proto, že v tomto bodě může voda zmrznout na led). Křivka tání je tedy ve skutečnosti graf, který ukazuje vztah mezi tlakem (P) a bodem tání nebo teplotou bodu tuhnutí. Při tlaku 1 atm je bod tuhnutí vody (nebo bod tání ledu) = 0. oC. Naopak, při tlaku 218 atm je bod tuhnutí vody (nebo bod tání ledu) nižší než 0 oC. Všimněte si, že při tlaku 1 atm je voda v kapalném stavu, pokud je teplota mezi 0 oC a 100 oC. Voda je v pevném skupenství, pokud je při tlaku 1 atm její teplota nižší než 0 °C. oC nebo voda je ve formě páry, pokud je při tlaku 1 atm teplota vyšší než 100 oC.
Sublimační křivka ukazuje body, kde jsou pevná látka a pára v rovnováze. Bod, kde jsou pevná látka a pára v rovnováze, se nazývá sublimační bod. Sublimační křivka je tedy ve skutečnosti graf, který znázorňuje vztah mezi tlakem (P) a teplotou sublimačního bodu… Sublimace je proces změny pevného skupenství na páru, bez přechodu do kapalného stavu… K sublimaci obvykle dochází pouze za nízkých tlaků. Led může sublimovat pouze tehdy, je-li teplota nižší než 0,01 ° C a tlak nižší než 0,006 atm. Bod, kde se tyto tři křivky protínají, se nazývá trojný bod.
Níže je uveden fázový diagram oxidu uhličitého. Všimněte si, že stupnice na fázovém diagramu vody a fázovém diagramu oxidu uhličitého nejsou lineární.
