Olulised muutused kriitilise temperatuuri kolmikpunktis
Ideaalse gaasi seaduse arutelus selgitati, et ideaalse gaasi seadus kirjeldab reaalse gaasi käitumist täpselt ainult siis, kui reaalse gaasi rõhk ja tihedus ei ole liiga kõrged. Kui reaalse gaasi rõhk ja tihedus on piisavalt suured, annab ideaalse gaasi seadus ebatäpseid tulemusi. See kehtib ka siis, kui reaalse gaasi temperatuur läheneb keemistemperatuurile.
See on tegelikult seotud reaalsete gaasimolekulide vaheliste vastastikmõjudega. Gaasi rõhk on pöördvõrdeline gaasi mahuga. Kui gaasi rõhk on piisavalt kõrge, muutub gaasi maht väiksemaks. Kuna gaasi maht on väike, muutub gaasimolekulide vaheline kaugus väiksemaks. Kui molekulide vaheline kaugus on väiksem, tõmbavad molekulid üksteist ligi. See on sarnane rauatüki magnetile lähedale viimisega. Kui magneti ja raua vaheline kaugus on piisavalt suur, ei saa magnet rauda ligi tõmmata. Aga kui magneti ja raua vaheline kaugus on väike, tõmmatakse raud lähemale.
Seega käituvad gaasimolekulid ülaltoodud joonisel nagu magnetid ja raud... Kui molekulide vaheline kaugus on piisavalt väike, siis molekulid tõmbuvad üksteise poole. Tõmbejõudude olemasolu põhjustab molekulidevahelise kauguse vähenemist (gaasi ruumala väheneb). Tavaliselt juhtub see siis, kui gaasi rõhk on piisavalt suur (kõrge rõhk, väike ruumala. Väikese ruumala korral molekulide vaheline kaugus väheneb). Seetõttu ei anna ideaalse gaasi seadus täpseid tulemusi, kui reaalse gaasi rõhk ja tihedus on piisavalt suured.
Rõhu ja mahu diagramm
Ülaltoodud probleemi paremaks mõistmiseks vaatame diagrammi, mis näitab gaasi rõhu ja mahu vahelist seost. Kõverad 1, 2, 3 ja 4 näitavad sama gaasi käitumist erinevatel temperatuuridel. Kõveral 1 näidatud gaasi temperatuur on kõrgem kui kõveral 2. Kõveral 2 näidatud gaasi temperatuur on kõrgem kui kõveral 3. Kõveral 3 näidatud gaasi temperatuur on kõrgem kui kõveral 4. Kõver on kaldjoon diagrammi keskel. Gaasi temperatuur jääb alati konstantseks, ainsad muutused on gaasi rõhk (P) ja ruumala (V).
Ideaalse gaasi seaduse kohaselt peab punktist 1 algav joon lõppema punktis 1. Samamoodi peab punktist 2 algav joon lõppema punktis 2. Reaalsete gaaside kogetav reaalsus ei vasta ideaalse gaasi seaduse ennustustele. Kui gaasirõhk on piisavalt kõrge, muutub gaasi maht väiksemaks ja kaldub kõrvale ideaalse gaasi seaduse ennustustest (võrdle kõveraid 1 ja 2). Gaasi mahu hälbe suurusjärk sõltub ka temperatuurist. Kui gaasi temperatuur on madalam ja lähedal sulamistemperatuurile, mida tuntakse ka keemistemperatuurina (punkt b), on gaasi mahu hälve tavaliselt suurem võrreldes temperatuuriga, mis on kõrgem (võrdle kõveraid 1, 2, 3 ja 4). Seda mõjutavad gaasimolekulide vahelised tõmbejõud, nagu eelnevalt selgitatud.
Ülaltoodud diagrammil kõver 3 näitab aine käitumist kriitilisel temperatuuril. Punkti c, mida kõver 3 läbib, nimetatakse kriitiliseks punktiks. Kriitilisest temperatuurist kõrgemal temperatuuril ei saa gaas muutuda vedelikuks isegi väga kõrge rõhu rakendamisel (võrrelge kõveratega 2 ja 1). Rakendatud rõhk vähendab ainult gaasi mahtu, kuid ei saa seda vedelikuks muuta. Seevastu kriitilisest temperatuurist madalamal temperatuuril muutub gaas teatud rõhu rakendamisel vedelikuks (võrrelge kõveraga 3). Rõhu hulka, mis suudab gaasi kriitilisel temperatuuril vedelikuks muuta, nimetatakse kriitiliseks rõhuks. Igal ainel on erinev kriitiline temperatuur ja kriitiline rõhk.
Ülaltoodud diagrammil olev kõver 4 näitab gaasilise oleku vedelikuks muutumise protsessi. Varjutatud ala (mäge meenutav) on ala, kus gaasi- ja vedelikufaas on tasakaalus. Algselt on gaasi maht üsna suur. Pärast gaasi rõhu suurenemist väheneb gaasi maht, kuni see jõuab punkti b (punkt b on sulamistemperatuur, tuntud ka kui keemistemperatuur). Punkti b jõudes hakkab gaas muutuma vedelikuks. Gaasist vedelikuks muutumise protsessi käigus (punktist b punkti a) väheneb aine maht, isegi kui rõhk ei suurene (märgitud sirgega). Punktis a on kogu gaas muutunud vedelikuks. Pärast punkti a jõudmist põhjustab aine rõhu suurenemine vaid väga väikest mahu muutust (märgitud kõvera väga järsu kujuga).
Igapäevaelus kasutame sageli termineid aur ja gaas. Näiteks veeaur või lämmastikgaas. Me ei nimeta veeauru peaaegu kunagi veegaasiks, kuigi veeaur on tegelikult vee gaasiline vorm. Sama kehtib lämmastiku, hapniku jne kohta. Lämmastikku või hapnikku nimetatakse tavaliselt gaasideks. Gaasil ja aurul on erinev tähendus. Kui aine gaasiline olek on alla aine kriitilise temperatuuri , siis nimetame seda auruks. Vastupidiselt, kui aine gaasiline olek on üle aine kriitilise temperatuuri , siis nimetame seda gaasiks.
Rõhu ja temperatuuri diagramm (faasiskeem)
Eelnevalt selgitasime ainete käitumist rõhu ja ruumala diagrammi abil. Lisaks PV diagrammile saab ainete käitumist selgitada rõhu (P) ja temperatuuri (T) diagrammi abil. PT diagrammi nimetatakse tavaliselt faasidiagrammiks. Seda nimetatakse faasidiagrammiks, kuna seda kasutatakse aine faaside ehk olekute võrdlemiseks. Üks aine, mille olek sageli muutub, on vesi.
Diagrammil on kolm kõverat: aurustumiskõver, sulamiskõver ja sublimatsioonikõver.
Aurustumiskõver näitab punkte, kus vedelik ja aur on tasakaalus. Punkti, kus vedelik ja aur on tasakaalus, nimetatakse sulamistemperatuuriks või keemistemperatuuriks (seda nimetatakse sulamistemperatuuriks, kuna selles punktis saab aur sulada ja muutuda veeks. Seda nimetatakse keemistemperatuuriks, kuna selles punktis saab vesi keema minna ja muutuda auruks). Seega on aurustumiskõver tegelikult graafik, mis näitab rõhu (P) ja keemistemperatuuri/sulamistemperatuuri vahelist seost. Näib, et mida väiksem on rõhk, seda madalam on vee keemistemperatuur või mida suurem on rõhk, seda kõrgem on vee keemistemperatuur. Rõhul 1 atm on vee keemistemperatuur = 100 ° C. Seevastu rõhul 218 atm on vee keemistemperatuur = 374 ° C.
Rõhku 218 atm nimetatakse ka vee kriitiliseks rõhuks, temperatuuri 374 ° C aga vee kriitiliseks temperatuuriks. Kui auru temperatuur on alla 374 ° C, siis võib aur rõhul 374 ° C muutuda vedelikuks. Kui temperatuur on üle 218 ° C , ei saa ükski rõhk auru vedelikuks muuta.
Sulamiskõver näitab punkte, kus vedel ja tahke olek on tasakaalus. Punkti, kus vedel ja tahke olek on tasakaalus, nimetatakse sulamistemperatuuriks või külmumistemperatuuriks (seda nimetatakse sulamistemperatuuriks, kuna selles punktis saab jää sulada veeks. Seda nimetatakse külmumistemperatuuriks, kuna selles punktis saab vesi külmuda jääks). Seega on sulamiskõver tegelikult graafik, mis näitab rõhu (P) ja sulamistemperatuuri või külmumistemperatuuri vahelist seost. Rõhul 1 atm on vee külmumistemperatuur (või jää sulamistemperatuur) = 0. oC. Vastupidiselt, rõhul 218 atm on vee külmumistemperatuur (või jää sulamistemperatuur) madalam kui 0. oC. Pane tähele, et rõhul 1 atm on vesi vedelas olekus, kui temperatuur on vahemikus 0 oC ja 100 oC. Vesi on tahkes olekus, kui rõhul 1 atm on temperatuur alla 0 oC ehk vesi on auru kujul, kui rõhul 1 atm on temperatuur üle 100 oC.
Sublimatsioonikõver näitab punkte, kus tahke aine ja aur on tasakaalus. Punkti, kus tahke aine ja aur on tasakaalus, nimetatakse sublimatsioonipunktiks. Seega on sublimatsioonikõver tegelikult graafik, mis näitab rõhu (P) ja sublimatsioonipunkti temperatuuri vahelist seost... Sublimatsioon on protsess, mille käigus tahke olek muutub auruks ilma vedelat olekut läbimata... Tavaliselt toimub sublimatsioon ainult madalal rõhul. Jää saab sublimeeruda ainult siis, kui temperatuur on alla 0,01 ° C ja rõhk on alla 0,006 atm. Punkti, kus kolm kõverat lõikuvad, nimetatakse kolmikpunktiks.
Allpool on süsinikdioksiidi faasidiagramm. Pane tähele, et vee faasidiagrammi ja süsinikdioksiidi faasidiagrammi skaalad ei ole lineaarsed.
