Άρθρο σχετικά με τις Αλλαγές φάσης Κρίσιμη θερμοκρασία Τριπλό σημείο
Στη συζήτηση για τον νόμο των ιδανικών αερίων, έχει εξηγηθεί ότι ο νόμος των ιδανικών αερίων περιγράφει τη συμπεριφορά ενός πραγματικού αερίου με ακρίβεια μόνο όταν η πίεση και η πυκνότητα του πραγματικού αερίου δεν είναι πολύ μεγάλες. Εάν η πίεση και η πραγματική πυκνότητα του αερίου είναι αρκετά μεγάλες, ο νόμος των ιδανικών αερίων παρέχει ανακριβή αποτελέσματα, όπως και όταν η θερμοκρασία του πραγματικού αερίου πλησιάζει το σημείο βρασμού. Αυτό σχετίζεται με τις αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν μεταξύ των πραγματικών μορίων αερίου. Η πίεση του αερίου είναι αντιστρόφως ανάλογη με τον όγκο του αερίου. Όταν η πίεση του αερίου είναι αρκετά μεγάλη, ο όγκος του αερίου γίνεται μικρότερος. Επειδή ο όγκος του αερίου είναι μικρός, η απόσταση μεταξύ των μορίων του αερίου γίνεται μικρότερη. Όταν η απόσταση μεταξύ των μορίων γίνεται μικρότερη, τα μόρια έλκονται μεταξύ τους. Είναι σαν να βάζετε ένα κομμάτι σιδήρου σε έναν μαγνήτη. Εάν η απόσταση μεταξύ του μαγνήτη και του σιδήρου είναι αρκετά μεγάλη, ο μαγνήτης δεν μπορεί να τραβήξει τον σίδηρο. Αλλά εάν η απόσταση μεταξύ του μαγνήτη και του σιδήρου είναι μικρή, ο σίδηρος έλκεται πιο κοντά.
Έτσι, τα μόρια αερίου συμπεριφέρονται σαν μαγνήτης. Όταν η απόσταση μεταξύ των μορίων είναι αρκετά μικρή, τα μόρια έλκονται μεταξύ τους. Η δύναμη έλξης προκαλεί την προσέγγιση της απόστασης μεταξύ των μορίων (ο όγκος του αερίου μειώνεται). Συνήθως, αυτό συμβαίνει όταν η πίεση του αερίου είναι αρκετά μεγάλη (μεγάλη πίεση, μικρός όγκος. Μικρός όγκος, η απόσταση μεταξύ των μορίων πλησιάζει). Επομένως, ο νόμος των ιδανικών αερίων δεν παρέχει ακριβή αποτελέσματα όταν η πίεση και η πυκνότητα του πραγματικού αερίου είναι μεγάλες.
Διάγραμμα Πίεσης έναντι Πίεσης Όγκου
Για να κατανοήσουμε καλύτερα το παραπάνω πρόβλημα, ας εξετάσουμε το διάγραμμα, το οποίο αναφέρει τη σχέση μεταξύ πίεσης και όγκου αερίου. Οι καμπύλες 1, 2, 3 και 4 δείχνουν την ίδια συμπεριφορά αερίου σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Η θερμοκρασία αερίου που φαίνεται στην καμπύλη 1 είναι υψηλότερη από την καμπύλη 2. Η θερμοκρασία αερίου που φαίνεται στην καμπύλη 2 είναι υψηλότερη από την καμπύλη 3. Η θερμοκρασία αερίου που φαίνεται στην καμπύλη 3 είναι υψηλότερη από την καμπύλη 4. Η καμπύλη είναι η κάθετος στη μέση του διαγράμματος. Η θερμοκρασία αερίου είναι πάντα σταθερή, γεγονός που αλλάζει μόνο την πίεση (P) και τον όγκο (V) του αερίου.
Σύμφωνα με τον νόμο των ιδανικών αερίων, η γραμμή που ξεκινά από τον αριθμό 1 πρέπει να τελειώνει στον αριθμό 1. Ομοίως, η γραμμή που ξεκινά από τον αριθμό 2 πρέπει να τελειώνει στον αριθμό 2. Η πραγματικότητα που βιώνει το πραγματικό αέριο δεν είναι σύμφωνη με την πρόβλεψη του νόμου των ιδανικών αερίων. Όταν η πίεση του αερίου είναι αρκετά μεγάλη, ο όγκος του αερίου γίνεται μικρότερος και αποκλίνει από την πρόβλεψη του νόμου των ιδανικών αερίων (συγκρίνετε με την καμπύλη 1 και την καμπύλη 2). Το μέγεθος της απόκλισης όγκου του αερίου εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία. Εάν η θερμοκρασία του αερίου είναι χαμηλότερη και πλησιάζει το σημείο τήξης, γνωστό και ως σημείο βρασμού (σημείο β), το αέριο συνήθως παρουσιάζει μια πιο σημαντική απόκλιση όγκου από ό,τι όταν η θερμοκρασία είναι υψηλότερη (συγκρίνετε τις καμπύλες 1, 2, 3 και 4). Επηρεάζεται από την παρουσία έλξης μεταξύ των μορίων του αερίου, όπως εξηγήθηκε προηγουμένως.
Η καμπύλη 3 στο παραπάνω διάγραμμα δείχνει τη συμπεριφορά μιας ουσίας στην κρίσιμη θερμοκρασία της. Το σημείο c που διέρχεται από την καμπύλη τρία ονομάζεται κρίσιμο σημείο. Σε θερμοκρασίες υψηλότερες από την κρίσιμη θερμοκρασία, η μορφή του αερίου δεν μπορεί να μετατραπεί σε υγρή, παρόλο που του δίνεται σημαντική πίεση (συγκρίνετε με την καμπύλη 2 και την καμπύλη 1). Η πίεση που δίνεται μειώνει μόνο τον όγκο του αερίου, αλλά δεν μπορεί να μετατρέψει το αέριο σε υγρό. Αντίθετα, σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από την κρίσιμη θερμοκρασία, το αέριο θα μετατραπεί σε υγρό εάν του δοθεί απόλυτη πίεση (συγκρίνετε με την καμπύλη 3). Η ποσότητα πίεσης που μπορεί να μετατρέψει το αέριο σε υγρό σε κρίσιμη θερμοκρασία είναι γνωστή ως κρίσιμη πίεση. Κάθε ουσία έχει διαφορετική κρίσιμη θερμοκρασία και κρίσιμη πίεση.
Η καμπύλη 4 στο παραπάνω διάγραμμα δείχνει τη διαδικασία μετάβασης από αέριο σε υγρό. Η σκιασμένη περιοχή (που μοιάζει με βουνό) είναι μια περιοχή όπου το αέριο και το υγρό βρίσκονται σε ισορροπία. Αρχικά, ο όγκος του αερίου είναι μεγάλος. Αφού αυξηθεί η πίεση του αερίου, ο όγκος του αερίου μειώνεται μέχρι να φτάσει στο σημείο b (το σημείο b είναι το σημείο τήξης, γνωστό και ως σημείο βρασμού). Όταν φτάσει στο σημείο b, το αέριο αρχίζει να μετατρέπεται σε υγρό. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μετατροπής του αερίου σε υγρό (από το σημείο b στο σημείο a), ο όγκος της ουσίας μειώνεται, παρόλο που δεν υπάρχει αύξηση της πίεσης (σημειώνεται με ευθεία γραμμή). Στο σημείο a, όλα τα αέρια έχουν μετατραπεί σε υγρό. Αφού φτάσουν στο σημείο a, η προσθήκη πίεσης στην ουσία έχει ως αποτέλεσμα μόνο μια ελάχιστη αλλαγή όγκου (σημαδεμένη από μια πολύ απότομη καμπύλη).
Στην καθημερινή ζωή, χρησιμοποιούμε συχνά τους όρους ατμός και αέριο. Για παράδειγμα, υδρατμοί ή αέριο άζωτο. Σπάνια αναφερόμαστε στους υδρατμούς ως αέριο νερό, παρόλο που οι υδρατμοί είναι αέριο από νερό. Ομοίως, με το άζωτο, το οξυγόνο κ.λπ. Το άζωτο ή το οξυγόνο αναφέρονται συνήθως ως αέριο. Το αέριο και ο ατμός έχουν διαφορετικές σημασίες. Εάν το αέριο από μια ουσία είναι κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία του υλικού, τότε το ονομάζουμε ατμό. Αντίθετα, εάν το αέριο από μια ουσία είναι πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία της ουσίας, τότε το ονομάζουμε αέριο.
Διάγραμμα πίεσης έναντι θερμοκρασίας (Διάγραμμα φάσης)
Προηγουμένως περιγράφηκε η συμπεριφορά των ουσιών, χρησιμοποιώντας ένα διάγραμμα πίεσης έναντι όγκου. Εκτός από τη χρήση του διαγράμματος PV, η συμπεριφορά των ουσιών μπορεί να εξηγηθεί χρησιμοποιώντας το διάγραμμα πίεσης (P) έναντι θερμοκρασίας (T). Τα διαγράμματα PT αναφέρονται συνήθως ως διαγράμματα φάσεων. Ονομάζονται διάγραμμα φάσεων επειδή αυτό το διάγραμμα χρησιμοποιείται για τη σύγκριση των φάσεων μιας ουσίας. Μία από τις ουσίες που αλλάζει συχνά φάση είναι το νερό.
Υπάρχουν τρεις καμπύλες στο διάγραμμα, δηλαδή οι καμπύλες εξάτμισης, οι καμπύλες τήξης και οι καμπύλες εξάχνωσης.
Η καμπύλη εξάτμισης δείχνει τα σημεία όπου το υγρό και οι ατμοί βρίσκονται σε ισορροπία. Το σημείο όπου το υγρό και οι ατμοί βρίσκονται σε ισορροπία ονομάζεται σημείο τήξης, γνωστό και ως σημείο βρασμού (ονομάζεται σημείο τήξης επειδή σε αυτό το σημείο ο ατμός μπορεί να λιώσει και να μετατραπεί σε νερό. Ονομάζεται σημείο βρασμού επειδή σε αυτό το σημείο το νερό μπορεί να βράσει και να μετατραπεί σε ατμό). Έτσι, η καμπύλη εξάτμισης είναι στην πραγματικότητα ένα γράφημα που δηλώνει τη σχέση μεταξύ πίεσης (P) και σημείου βρασμού / θερμοκρασίας τήξης. Φαίνεται ότι όσο μικρότερη είναι η πίεση, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία του σημείου βρασμού του νερού, ή όσο υψηλότερη είναι η πίεση, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του σημείου βρασμού του νερού. Σε πίεση 1 atm, η θερμοκρασία σημείου βρασμού του νερού είναι 100 o C. Αντίθετα, σε πίεση 218 atm, η θερμοκρασία σημείου βρασμού του νερού = 374 o C.
Η πίεση των 218 atm ονομάζεται επίσης κρίσιμη πίεση του νερού, ενώ η θερμοκρασία των 374 o C ονομάζεται επίσης κρίσιμη θερμοκρασία του νερού. Εάν η θερμοκρασία των ατμών είναι μικρότερη από 374 o C, τότε ο ατμός μπορεί να αλλάξει τη φάση του σε υγρό εάν του δοθεί πίεση 374 o C. Η πίεση δεν μπορεί να μετατρέψει τον ατμό σε υγρό εάν η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από 218 o C.
Η καμπύλη τήξης δείχνει τα σημεία όπου το υγρό και το στερεό βρίσκονται σε ισορροπία. Το σημείο όπου το υγρό και το στερεό βρίσκονται σε ισορροπία ονομάζεται σημείο τήξης ή σημείο πήξης (ονομάζεται σημείο τήξης επειδή σε αυτό το σημείο ο πάγος μπορεί να λιώσει σε νερό. Ονομάζεται σημείο πήξης επειδή, σε αυτό το σημείο, το νερό μπορεί να παγώσει σε πάγο). Έτσι, η καμπύλη τήξης είναι ένα γράφημα που δηλώνει τη σχέση μεταξύ πίεσης (P) και σημείου τήξης ή θερμοκρασίας πήξης. Σε πίεση 1 atm, το σημείο πήξης του νερού (ή το σημείο τήξης του πάγου) = 0 o C. Σε αντίθεση με την πίεση των 218 atm, το σημείο πήξης του νερού (ή το σημείο τήξης του πάγου) είναι μικρότερο από 0 o C. Σημειώστε ότι σε πίεση 1 atm, το νερό βρίσκεται σε υγρό εάν η θερμοκρασία είναι μεταξύ 0 oC και 100 o C. Το νερό βρίσκεται στο στερεό εάν, σε πίεση 1 atm, η θερμοκρασία είναι μικρότερη από 0 o C ή το νερό βρίσκεται στον ατμό εάν, σε πίεση 1 atm, η θερμοκρασία υπερβαίνει τους 100 o C.
Η καμπύλη εξάχνωσης δείχνει τα σημεία όπου το στερεό και ο ατμός βρίσκονται σε ισορροπία 
Η ισορροπία ονομάζεται σημείο εξάχνωσης. Έτσι, η καμπύλη εξάχνωσης είναι ένα γράφημα που δείχνει τη σχέση μεταξύ της πίεσης (P) και της θερμοκρασίας του σημείου εξάχνωσης. Η εξάχνωση είναι η διαδικασία μετατροπής του στερεού σε ατμό, χωρίς να διέρχεται από υγρό. Συνήθως, η εξάχνωση συμβαίνει μόνο σε χαμηλή πίεση. Ο πάγος μπορεί να εξαχνωθεί μόνο εάν η θερμοκρασία είναι μικρότερη από 0.01 oC και η πίεση είναι μικρότερη από 0.006 atm. Το σημείο όπου τέμνονται οι τρεις καμπύλες ονομάζεται τριπλό σημείο.
Παρακάτω είναι ένα διάγραμμα φάσεων για το διοξείδιο του άνθρακα. Σημειώστε ότι η κλίμακα στο διάγραμμα φάσεων του νερού και στο διάγραμμα φάσεων του διοξειδίου του άνθρακα δεν είναι γραμμική.
