Materiaaliset muutokset kriittisen lämpötilan kolmoispisteessä
Ideaalikaasulain käsittelyssä selitettiin, että ideaalikaasulaki kuvaa tarkasti todellisen kaasun käyttäytymistä vain, kun todellisen kaasun paine ja tiheys eivät ole liian korkeita. Jos todellisen kaasun paine ja tiheys ovat riittävän suuria, ideaalikaasulaki tuottaa epätarkkoja tuloksia. Tämä pätee myös silloin, kun todellisen kaasun lämpötila lähestyy kiehumispistettään.
Tämä liittyy itse asiassa todellisten kaasumolekyylien välisiin vuorovaikutuksiin. Kaasun paine on kääntäen verrannollinen kaasun tilavuuteen. Kun kaasun paine on riittävän korkea, kaasun tilavuus pienenee. Koska kaasun tilavuus on pieni, kaasumolekyylien välinen etäisyys pienenee. Kun molekyylien välinen etäisyys on pienempi, molekyylit vetävät toisiaan puoleensa. Se on samanlaista kuin silloin, kun tuodaan rautapala lähelle magneettia. Jos magneetin ja raudan välinen etäisyys on riittävän suuri, magneetti ei voi vetää puoleensa rautaa. Mutta jos magneetin ja raudan välinen etäisyys on pieni, rautaa vedetään lähemmäs.
Kaasumolekyylit käyttäytyvät siis kuin magneetit ja rauta yllä olevassa kuvassa… Kun molekyylien välinen etäisyys on riittävän pieni, ne vetävät toisiaan puoleensa. Vetovoimat pienentävät molekyylien välistä etäisyyttä (kaasun tilavuus pienenee). Yleensä tämä tapahtuu, kun kaasun paine on riittävän suuri (korkea paine, pieni tilavuus. Pienessä tilavuudessa molekyylien välinen etäisyys pienenee). Siksi ideaalikaasulaki ei anna tarkkoja tuloksia, kun todellisen kaasun paine ja tiheys ovat riittävän suuria.
Paine vs. tilavuus -kaavio
Ymmärtääksemme paremmin yllä olevaa ongelmaa, tarkastellaan kaaviota, joka näyttää kaasun paineen ja tilavuuden välisen suhteen. Käyrät 1, 2, 3 ja 4 näyttävät saman kaasun käyttäytymisen eri lämpötiloissa. Käyrällä 1 esitetyn kaasun lämpötila on korkeampi kuin käyrällä 2. Käyrällä 2 esitetyn kaasun lämpötila on korkeampi kuin käyrällä 3. Käyrällä 3 esitetyn kaasun lämpötila on korkeampi kuin käyrällä 4. Käyrä on vino viiva kaavion keskellä. Kaasun lämpötila pysyy aina vakiona, ainoat muutokset ovat kaasun paine (P) ja tilavuus (V).
Ideaalikaasulain mukaan pisteestä 1 alkavan viivan täytyy päättyä pisteeseen 1. Samoin pisteestä 2 alkavan viivan täytyy päättyä pisteeseen 2. Todellisten kaasujen kokema todellisuus ei vastaa ideaalikaasulain ennusteita. Kun kaasun paine on riittävän korkea, kaasun tilavuus pienenee ja poikkeaa ideaalikaasulain ennusteista (vertaa käyrät 1 ja 2). Kaasun tilavuuden poikkeaman suuruus riippuu myös lämpötilasta. Jos kaasun lämpötila on alhaisempi ja lähellä sulamispistettä eli kiehumispistettä (piste b), kaasun tilavuuden poikkeama on yleensä suurempi kuin korkeammassa lämpötilassa (vertaa käyrät 1, 2, 3 ja 4). Tähän vaikuttavat kaasumolekyylien väliset vetovoimat, kuten aiemmin selitettiin.
Yllä olevan kaavion käyrä 3 näyttää aineen käyttäytymisen kriittisessä lämpötilassaan. Pistettä c, jonka kautta käyrä 3 kulkee, kutsutaan kriittiseksi pisteeksi. Kriittistä lämpötilaa korkeammissa lämpötiloissa kaasu ei voi muuttua nesteeksi, vaikka siihen kohdistettaisiin erittäin korkea paine (vertaa käyriin 2 ja 1). Käytetty paine vain pienentää kaasun tilavuutta, mutta ei voi muuttaa sitä nesteeksi. Kääntäen, kriittistä lämpötilaa alhaisemmissa lämpötiloissa kaasu muuttuu nesteeksi, jos siihen kohdistetaan tietty paine (vertaa käyrään 3). Paineen määrää, joka voi muuttaa kaasun nesteeksi kriittisessä lämpötilassa, kutsutaan kriittiseksi paineeksi. Jokaisella aineella on erilainen kriittinen lämpötila ja kriittinen paine.
Yllä olevan kaavion käyrä 4 havainnollistaa aineen muuttumista kaasusta nesteeksi. Varjostettu alue (joka muistuttaa vuorta) on alue, jossa kaasu- ja nestefaasit ovat tasapainossa. Aluksi kaasun tilavuus on melko suuri. Kun kaasun paine kasvaa, kaasun tilavuus pienenee, kunnes se saavuttaa pisteen b (piste b on sulamispiste eli kiehumispiste). Kun se saavuttaa pisteen b, kaasu alkaa muuttua nesteeksi. Kaasusta nesteeksi muuttumisen aikana (pisteestä b pisteeseen a) aineen tilavuus pienenee, vaikka paine ei nouse (merkitty suoralla viivalla). Pisteessä a kaikki kaasu on muuttunut nesteeksi. Pisteen a saavuttamisen jälkeen aineen paineen kasvu aiheuttaa vain hyvin pienen tilavuuden muutoksen (merkitty käyrän erittäin jyrkällä muodolla).
Arkielämässä käytämme usein termejä höyry ja kaasu. Esimerkiksi vesihöyry tai typpikaasu. Emme melkein koskaan kutsu vesihöyryä vesikaasuksi, vaikka vesihöyry on itse asiassa veden kaasumainen olomuoto. Sama pätee typpeen, happeen jne. Typpeä tai happea kutsutaan yleisesti kaasuiksi. Kaasulla ja höyryllä on eri merkitykset. Jos aineen kaasumainen olomuoto on aineen kriittisen lämpötilan alapuolella , kutsumme sitä höyryksi. Kääntäen, jos aineen kaasumainen olomuoto on aineen kriittisen lämpötilan yläpuolella , kutsumme sitä kaasuksi.
Paine vs. lämpötila -kaavio (vaihekaavio)
Aiemmin selitimme aineiden käyttäytymistä paine-tilavuus-diagrammilla. PV-diagrammin lisäksi aineiden käyttäytymistä voidaan selittää paine-lämpötila-diagrammilla (P/T). PT-diagrammia kutsutaan yleisesti faasidiagrammiksi. Sitä kutsutaan faasidiagrammiksi, koska sitä käytetään aineen faasien eli tilojen vertailuun. Yksi aine, joka usein käy läpi olomuodon muutoksia, on vesi.
Kaaviossa on kolme käyrää: haihtumiskäyrä, sulamiskäyrä ja sublimaatiokäyrä.
Haihtumiskäyrä näyttää pisteet, joissa neste ja höyry ovat tasapainossa. Pistetta, jossa neste ja höyry ovat tasapainossa, kutsutaan sulamispisteeksi tai kiehumispisteeksi (sitä kutsutaan sulamispisteeksi, koska tässä pisteessä höyry voi sulaa ja muuttua vedeksi. Sitä kutsutaan kiehumispisteeksi, koska tässä pisteessä vesi voi kiehua ja muuttua höyryksi). Haihtumiskäyrä on siis itse asiassa kuvaaja, joka esittää paineen (P) ja kiehumispisteen/sulamispistelämpötilan välisen suhteen. Näyttää siltä, että mitä pienempi paine, sitä alhaisempi on veden kiehumispiste, tai mitä suurempi paine, sitä korkeampi on veden kiehumispiste. 1 ilmakehän paineessa veden kiehumispiste = 100 ° C. Kääntäen, 218 ilmakehän paineessa veden kiehumispiste = 374 ° C.
218 ilmakehän paine tunnetaan myös veden kriittisenä paineena, kun taas 374 ° C:n lämpötila tunnetaan myös veden kriittisenä lämpötilana. Jos höyryn lämpötila on alle 374 ° C, höyry voi muuttua nesteeksi, jos sille annetaan 374 ° C:n paine. Mikään paine ei voi muuttaa höyryä nesteeksi, jos lämpötila on yli 218 ° C.
Sulamiskäyrä näyttää pisteet, joissa nestemäinen ja kiinteä olomuoto ovat tasapainossa. Pistetta, jossa nestemäinen ja kiinteä olomuoto ovat tasapainossa, kutsutaan sulamispisteeksi tai jäätymispisteeksi (sitä kutsutaan sulamispisteeksi, koska tässä pisteessä jää voi sulaa vedeksi. Sitä kutsutaan jäätymispisteeksi, koska tässä pisteessä vesi voi jäätyä jääksi). Sulamiskäyrä on siis itse asiassa kuvaaja, joka näyttää paineen (P) ja sulamispisteen tai jäätymispisteen lämpötilan välisen suhteen. 1 ilmakehän paineessa veden jäätymispiste (tai jään sulamispiste) = 0. oC. Kääntäen, 218 ilmakehän paineessa veden jäätymispiste (tai jään sulamispiste) on alle 0. oC. Huomaa, että 1 ilmakehän paineessa vesi on nestemäisessä muodossa, jos lämpötila on 0 °C:n ja 0 °C:n välillä. oC ja 100 oC. Vesi on kiinteässä olomuodossa, jos sen paine on 1 ilmat. ja lämpötila on alle 0 °C. oC eli vesi on höyryn muodossa, jos paine on 1 ilmat. ja lämpötila on yli 100 oC.
Sublimaatiokäyrä näyttää pisteet, joissa kiinteä aine ja höyry ovat tasapainossa. Pistettä, jossa kiinteä aine ja höyry ovat tasapainossa, kutsutaan sublimaatiopisteeksi. Sublimaatiokäyrä on siis itse asiassa kuvaaja, joka näyttää paineen (P) ja sublimaatiopisteen lämpötilan välisen suhteen... Sublimaatio on prosessi, jossa kiinteä olomuoto muuttuu höyryksi kulkematta nestemäisen olomuodon läpi... Yleensä sublimaatio tapahtuu vain matalissa paineissa. Jää voi sublimoitua vain, jos lämpötila on alle 0,01 ° C ja paine alle 0,006 ilmakehän paine. Pistettä, jossa kolme käyrää leikkaavat, kutsutaan kolmoispisteeksi.
Alla on hiilidioksidin faasidiagrammi. Huomaa, että veden ja hiilidioksidin faasidiagrammien asteikot eivät ole lineaarisia.
