Článek o fázových změnách Kritická teplota Trojný bod
V diskusi o zákonu ideálního plynu bylo vysvětleno, že zákon ideálního plynu popisuje chování reálného plynu přesně pouze tehdy, když tlak a hustota reálného plynu nejsou příliš velké. Pokud jsou tlak a hustota reálného plynu dostatečně velké, zákon ideálního plynu poskytuje nepřesné výsledky, podobně i když se teplota reálného plynu blíží bodu varu. To souvisí s interakcemi, ke kterým dochází mezi molekulami reálného plynu. Tlak plynu je nepřímo úměrný objemu plynu. Když je tlak plynu dostatečně velký, objem plynu se zmenšuje. Protože je objem plynu malý, vzdálenost mezi molekulami plynu se zkracuje. Když se vzdálenost mezi molekulami zkracuje, molekuly se vzájemně přitahují. Je to, jako když položíte kus železa na magnet. Pokud je vzdálenost mezi magnetem a železem dostatečně velká, magnet nemůže železo přitahovat. Pokud je však vzdálenost mezi magnetem a železem malá, železo se k sobě přitahuje.
Molekuly plynu se tedy chovají jako magnet. Když je vzdálenost mezi molekulami dostatečně malá, molekuly se k sobě přitahují. Tahová síla způsobuje, že se vzdálenost mezi molekulami přibližuje (objem plynu se zmenšuje). Obvykle se to děje, když je tlak plynu dostatečně velký (velký tlak, malý objem; malý objem, vzdálenost mezi molekulami se přibližuje). Zákon o ideálním plynu proto neposkytuje přesné výsledky, když jsou tlak a hustota reálného plynu velké.
Diagram tlaku vs. tlaku a objemu
Pro lepší pochopení výše uvedeného problému si prohlédněme diagram, který znázorňuje vztah mezi tlakem plynu a objemem. Křivky 1, 2, 3 a 4 ukazují stejné chování 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 lomítko uprostřed diagramu. Teplota plynu je vždy pevná, což mění pouze tlak (P) a objem (V) plynu.
Podle zákona o ideálním plynu musí přímka začínající od čísla 1 končit v bodě 1. Stejně tak přímka začínající od čísla 2 musí končit v bodě 2. Realita reálného plynu neodpovídá předpovědi zákona o ideálním plynu. Když je tlak plynu dostatečně velký, objem plynu se zmenší a odchyluje se od předpovědi zákona o ideálním plynu (viz křivka 1 a křivka 2). Velikost odchylky objemu plynu závisí také na teplotě. Pokud je teplota plynu nižší a blíží se bodu tání, tj. bodu varu (bod b), obvykle dochází k výraznější odchylce objemu plynu než při vyšší teplotě (viz křivky 1, 2, 3 a 4). To je ovlivněno přítomností přitažlivosti mezi molekulami plynu, jak bylo vysvětleno dříve.
Křivka 3 na výše uvedeném diagramu znázorňuje chování látky při její kritické teplotě. Bod c, kterým prochází křivka tři, se nazývá kritický bod. Při teplotách vyšších než kritická teplota se plynná forma nemůže změnit na kapalnou, i když je na ni vyvíjen značný tlak (srovnej s křivkou 2 a křivkou 1). Vyvíjený tlak pouze zmenšuje objem plynu, ale nemůže jej přeměnit na kapalinu. Naopak při teplotách nižších než kritická teplota se plyn změní na kapalinu, pokud je na něj vyvíjen absolutní tlak (srovnej s křivkou 3). Velikost tlaku, která dokáže plyn přeměnit 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 plyn a kapalina v rovnováze. Zpočátku je objem plynu velký. Po zvýšení tlaku plynu se objem plynu zmenšuje, dokud nedosáhne bodu b (bod b je bod tání, neboli bod varu). Když dosáhne bodu b, plyn se začne měnit v kapalinu. Během procesu přeměny 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 všechny plyny zkapalnily. Po dosažení bodu a má přidání tlaku na látku za následek pouze minimální změnu objemu (označeno velmi strmou křivkou).
V každodenním životě často používáme termíny pára a plyn. Například vodní pára nebo plynný dusík. Vodní páru téměř nikdy neodkazujeme na vodní plyn, i když vodní pára je plyn z vody. Podobně je tomu u dusíku, kyslíku atd. Dusík nebo kyslík se běžně označuje jako plyn. Plyn a pára mají různý význam. Pokud je plyn z látky pod kritickou teplotou materiálu, pak ji nazýváme párou. Naopak, pokud je plyn z látky nad kritickou teplotou látky, pak ji nazýváme plynem.
Diagram tlaku vs. teploty (fázový diagram)
Dříve bylo popsáno chování látek pomocí diagramu tlaku vs. objemu. Kromě použití PV diagramu lze chování látek vysvětlit i pomocí diagramu tlaku (P) vs. teploty (T). PT diagramy se běžně označují jako fázové diagramy. Nazývají se fázovým diagramem, protože se používají k porovnání fází látky. Jednou z látek, která často mění skupenství, je voda.
Na diagramu jsou tři křivky, a to křivky odpařování, křivky tání a křivky sublimace.
Křivka odpařování ukazuje body, kde jsou kapalina a pára v rovnováze. Bod, kde jsou kapalina a pára v rovnováze, se nazývá bod tání, neboli bod varu (bod tání, protože v tomto bodě se pára může tavit a přeměnit na vodu. Bod varu, protože 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 teplota varu vody, nebo čím vyšší je tlak, tím vyšší je teplota varu vody. Při tlaku 1 atm je teplota varu vody 100 ° C. Naopak při tlaku 218 atm je teplota varu vody 374 ° C.
Tlak 218 atm se také nazývá kritický tlak vody, zatímco teplota 374 ° C se také nazývá kritická teplota vody. Pokud je teplota páry nižší než 374 ° C, může pára změnit své skupenství na kapalinu, pokud je jí přiveden tlak 374 ° C. Tlak nemůže přeměnit páru na kapalinu, pokud je teplota vyšší než 218 ° C.
Křivka tání ukazuje body, kde jsou kapalina a pevná látka v rovnováze. Bod, kde jsou kapalina a pevná látka v rovnováze, se nazývá bod tání nebo bod tuhnutí (nazývaný bod tání, protože v tomto bodě se led může roztavit na vodu. Nazývá se bod tuhnutí, protože v tomto bodě může voda zmrznout na led). Křivka tání je tedy graf, který uvádí vztah mezi tlakem (P) a bodem tání nebo teplotou tuhnutí. Při tlaku 1 atm je bod tuhnutí vody (nebo bod tání ledu) = 0 ° C. Na rozdíl od tlaku 218 atm je bod tuhnutí vody (nebo bod tání ledu) nižší než 0 ° C. Všimněte si, že při tlaku 1 atm je voda v kapalině, pokud je teplota mezi 0 °C a 100 ° C. Voda je v pevné látce, pokud je při tlaku 1 atm teplota nižší než 0 ° C, nebo je voda v páře, pokud při tlaku 1 atm teplota přesáhne 100 ° C.
Sublimační křivka ukazuje body, kde jsou pevná látka a pára v rovnováze. 
Rovnováha se nazývá sublimační bod. Sublimační křivka je tedy graf, který znázorňuje vztah mezi tlakem (P) a teplotou sublimačního bodu. Sublimace je proces přeměny pevné látky na páru bez průchodu kapalinou. K sublimaci obvykle dochází pouze při nízkém tlaku. Led může sublimovat pouze tehdy, je-li teplota nižší než 0.01. oC a tlak je menší než 0.006 atm. Bod, kde se tři křivky protínají, se nazývá trojný bod.
Níže je uveden fázový diagram oxidu uhličitého. Všimněte si, že měřítko na fázovém diagramu vody a fázovém diagramu oxidu uhličitého není lineární.
