مقاله در مورد تغییرات فاز دمای بحرانی نقطه سه گانه
در بحث قانون گاز ایدهآل، توضیح داده شده است که قانون گاز ایدهآل رفتار گاز واقعی را تنها زمانی به طور دقیق توصیف میکند که فشار و چگالی گاز واقعی خیلی زیاد نباشد. اگر فشار و چگالی گاز واقعی به اندازه کافی بزرگ باشند، قانون گاز ایدهآل نتایج نادرستی ارائه میدهد، به همین ترتیب، وقتی دمای گاز واقعی به نقطه جوش نزدیک میشود. این مربوط به برهمکنشهایی است که بین مولکولهای گاز واقعی رخ میدهد. فشار گاز با حجم گاز نسبت معکوس دارد. وقتی فشار گاز به اندازه کافی بزرگ باشد، حجم گاز کوچکتر میشود. از آنجا که حجم گاز کم است، فاصله بین مولکولهای گاز نزدیکتر میشود. وقتی فاصله بین مولکولها نزدیکتر میشود، مولکولها یکدیگر را جذب میکنند. مانند زمانی است که یک قطعه آهن را روی یک آهنربا قرار میدهید. اگر فاصله بین آهنربا و آهن به اندازه کافی دور باشد، آهنربا نمیتواند آهن را بکشد. اما اگر فاصله بین آهنربا و آهن نزدیک باشد، آهن به آن نزدیکتر میشود.
بنابراین مولکولهای گاز مانند یک آهنربا رفتار میکنند. وقتی فاصله بین مولکولها به اندازه کافی نزدیک باشد، مولکولها به یکدیگر جذب میشوند. نیروی کشش باعث میشود فاصله بین مولکولها نزدیکتر شود (حجم گاز کمتر میشود). معمولاً این اتفاق زمانی میافتد که فشار گاز به اندازه کافی بزرگ باشد (فشار زیاد، حجم کم. حجم کم، فاصله بین مولکولها نزدیکتر میشود). بنابراین، قانون گاز ایدهآل وقتی فشار و چگالی گاز واقعی زیاد باشد، نتایج دقیقی ارائه نمیدهد.
نمودار فشار در مقابل فشار حجمی
برای درک بهتر مسئلهی بالا، بیایید نموداری را که رابطهی بین فشار و حجم گاز را بیان میکند، مرور کنیم. منحنیهای ۱، ۲، ۳ و ۴ رفتار یکسانی از گاز را در دماهای مختلف نشان میدهند. دمای گاز نشان داده شده در منحنی ۱ بالاتر از منحنی ۲ است. دمای گاز نشان داده شده در منحنی ۲ بالاتر از منحنی ۳ است. دمای گاز نشان داده شده در منحنی ۳ بالاتر از منحنی ۴ است. منحنی، خط مورب در وسط نمودار است. دمای گاز همیشه ثابت است که فقط فشار (P) و حجم (V) گاز را تغییر میدهد.
طبق قانون گاز ایدهآل، خطی که از عدد ۱ شروع میشود باید در عدد ۱ پایان یابد. به همین ترتیب، خطی که از عدد ۲ شروع میشود باید در عدد ۲ متوقف شود. واقعیتی که گاز واقعی تجربه میکند، با پیشبینی قانون گاز ایدهآل متفاوت است. وقتی فشار گاز به اندازه کافی بزرگ باشد، حجم گاز کوچکتر میشود و از پیشبینی قانون گاز ایدهآل منحرف میشود (با منحنی ۱ و منحنی ۲ مقایسه کنید). میزان انحراف حجم گاز نیز به دما بستگی دارد. اگر دمای گاز پایینتر باشد و به نقطه ذوب، یعنی نقطه جوش (نقطه b) نزدیک شود، گاز معمولاً انحراف حجم قابل توجهی نسبت به زمانی که دما بالاتر است، تجربه میکند (منحنیهای ۱، ۲، ۳ و ۴ را مقایسه کنید). همانطور که قبلاً توضیح داده شد، تحت تأثیر وجود جاذبه بین مولکولهای گاز قرار دارد.
منحنی ۳ در نمودار بالا، رفتار یک ماده را در دمای بحرانی آن نشان میدهد. نقطه c که از منحنی سه عبور میکند، نقطه بحرانی نامیده میشود. در دماهای بالاتر از دمای بحرانی، شکل گاز نمیتواند به شکل مایع تغییر کند، حتی اگر فشار قابل توجهی به آن داده شود (با منحنی ۲ و منحنی ۱ مقایسه کنید). فشار داده شده فقط حجم گاز را کوچکتر میکند، اما نمیتواند گاز را به مایع تبدیل کند. برعکس، در دماهای پایینتر از دمای بحرانی، اگر فشار مطلق داده شود، گاز به مایع تبدیل میشود (با منحنی ۳ مقایسه کنید). مقدار فشاری که میتواند گاز را در دمای بحرانی به مایع تبدیل کند، به عنوان فشار بحرانی شناخته میشود. هر مادهای دمای بحرانی و فشار بحرانی متفاوتی دارد.
منحنی ۴ در نمودار بالا فرآیند تبدیل گاز به مایع را نشان میدهد. ناحیه سایهدار (شبیه کوه) ناحیهای است که گاز و مایع در تعادل هستند. در ابتدا، حجم گاز زیاد است. پس از افزایش فشار گاز، حجم گاز کاهش مییابد تا به نقطه b برسد (نقطه b نقطه ذوب یا همان نقطه جوش است). وقتی به نقطه b میرسد، گاز شروع به تبدیل شدن به مایع میکند. در طول فرآیند تبدیل گاز به مایع (از نقطه b به نقطه a)، حجم ماده کاهش مییابد، حتی اگر هیچ افزایش فشاری وجود نداشته باشد (با یک خط مستقیم مشخص شده است). در نقطه a، همه گازها به مایع تبدیل شدهاند. پس از رسیدن به نقطه a، افزودن فشار به ماده تنها منجر به تغییر حجم حداقلی میشود (که با یک منحنی بسیار شیبدار مشخص شده است).
در زندگی روزمره، ما اغلب از اصطلاحات بخار و گاز استفاده میکنیم. به عنوان مثال، بخار آب یا گاز نیتروژن. ما به ندرت به بخار آب به عنوان گاز آب اشاره میکنیم، اگرچه بخار آب، گازی از آب است. به همین ترتیب در مورد نیتروژن، اکسیژن و غیره نیز به نیتروژن یا اکسیژن معمولاً گاز گفته میشود. گاز و بخار معانی متفاوتی دارند. اگر گاز حاصل از یک ماده زیر دمای بحرانی ماده باشد، آن را بخار مینامیم. برعکس، اگر گاز حاصل از یک ماده بالاتر از دمای بحرانی ماده باشد، آن را گاز مینامیم.
نمودار فشار در مقابل دما (نمودار فاز)
قبلاً رفتار مواد را با استفاده از نمودار فشار بر حسب حجم شرح داده شد. علاوه بر استفاده از نمودار PV، رفتار مواد را میتوان با استفاده از نمودار فشار (P) بر حسب دما (T) توضیح داد. نمودارهای PT معمولاً نمودارهای فاز نامیده میشوند. به این دلیل نمودار فاز نامیده میشوند که از این نمودار برای مقایسه فازهای یک ماده استفاده میشود. یکی از موادی که اغلب تغییر فاز میدهد، آب است.
سه منحنی در نمودار وجود دارد، یعنی منحنیهای تبخیر، منحنیهای ذوب و منحنیهای تصعید.
منحنی تبخیر نقاطی را نشان میدهد که در آن مایع و بخار در تعادل هستند. نقطهای که در آن مایع و بخار در تعادل هستند، نقطه ذوب یا همان نقطه جوش نامیده میشود (به این دلیل که در این نقطه بخار میتواند ذوب شود و به آب تبدیل شود، نقطه ذوب نامیده میشود. به این دلیل که در این نقطه آب میتواند بجوشد و به بخار تبدیل شود، نقطه جوش نامیده میشود). بنابراین، منحنی تبخیر در واقع نموداری است که رابطه بین فشار (P) و نقطه جوش/دمای ذوب را بیان میکند. به نظر میرسد که هر چه فشار کمتر باشد، دمای نقطه جوش آب پایینتر است، یا هر چه فشار بیشتر باشد، دمای نقطه جوش آب بالاتر است. در فشار ۱ اتمسفر، دمای نقطه جوش آب ۱۰۰ است. oج. برعکس، در فشار ۲۱۸ اتمسفر، دمای نقطه جوش آب = ۳۷۴ oC.
فشار ۲۱۸ اتمسفر، فشار بحرانی آب نیز نامیده میشود، در حالی که دما ۳۷۴ oC همچنین دمای بحرانی آب نامیده میشود. اگر دمای بخار کمتر از 374 باشد oC، پس بخار میتواند فاز خود را به مایع تغییر دهد اگر فشار 374 به آن داده شود oج. اگر دما بالاتر از ۲۱۸ درجه باشد، فشار نمیتواند بخار را به مایع تبدیل کند. oC.
منحنی ذوب، نقاطی را نشان میدهد که در آنها مایع و جامد در تعادل هستند. نقطهای که مایع و جامد در تعادل هستند، نقطه ذوب یا نقطه انجماد نامیده میشود (به این دلیل نقطه ذوب نامیده میشود که در این نقطه یخ میتواند ذوب شده و به آب تبدیل شود. به این دلیل نقطه انجماد نامیده میشود که در این نقطه، آب میتواند منجمد شده و به یخ تبدیل شود). بنابراین، منحنی ذوب نموداری است که رابطه بین فشار (P) و نقطه ذوب یا دمای انجماد را بیان میکند. در فشار 1 اتمسفر، نقطه انجماد آب (یا نقطه ذوب یخ) = 0 oج. در مقایسه با فشار ۲۱۸ اتمسفر، نقطه انجماد آب (یا نقطه ذوب یخ) کمتر از ۰ است. oج. توجه داشته باشید که در فشار ۱ اتمسفر، اگر دما بین ۰ تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد باشد، آب مایع است. oج. اگر در فشار ۱ اتمسفر، دما کمتر از ۰ باشد، آب در جامد است. oاگر در فشار ۱ اتمسفر، دما از ۱۰۰ درجه سانتیگراد بیشتر شود، بخار آب یا بخار آب است. oC.
منحنی تصعید نقاطی را نشان میدهد که در آنها جامد و بخار در تعادل هستند. 
نقطه تعادل، نقطه تصعید نامیده میشود. بنابراین، منحنی تصعید نموداری است که رابطه بین فشار (P) و دمای نقطه تصعید را بیان میکند. تصعید فرآیند تبدیل جامد به بخار، بدون عبور از مایع است. معمولاً تصعید فقط در فشار کم رخ میدهد. یخ فقط در صورتی میتواند تصعید شود که دما کمتر از 0.01 باشد. oC و فشار کمتر از 0.006 اتمسفر است. نقطه ای که سه منحنی یکدیگر را قطع می کنند، نقطه سه گانه نامیده می شود.
در زیر نمودار فازی برای دی اکسید کربن آمده است. توجه داشته باشید که مقیاس روی نمودار فاز آب و نمودار فاز دی اکسید کربن خطی نیست.
