Artikkeli faasimuutoksista Kriittinen lämpötila Kolmoispiste
Ideaalikaasulain käsittelyssä on selitetty, että ideaalikaasulaki kuvaa todellisen kaasun käyttäytymistä tarkasti vain, kun todellisen kaasun paine ja tiheys eivät ole liian suuria. Jos paine ja todellisen kaasun tiheys ovat riittävän suuria, ideaalikaasulaki antaa epätarkkoja tuloksia, samoin, kun todellisen kaasun lämpötila lähestyy kiehumispistettä. Tämä liittyy todellisten kaasumolekyylien välisiin vuorovaikutuksiin. Kaasun paine on kääntäen verrannollinen kaasun tilavuuteen. Kun kaasun paine on riittävän suuri, kaasun tilavuus pienenee. Koska kaasun tilavuus on pieni, kaasumolekyylien välinen etäisyys pienenee. Kun molekyylien välinen etäisyys pienenee, molekyylit vetävät toisiaan puoleensa. Se on kuin laittaisit rautapalan magneetin päälle. Jos magneetin ja raudan välinen etäisyys on riittävän suuri, magneetti ei voi vetää rautaa puoleensa. Mutta jos magneetin ja raudan välinen etäisyys on pieni, rauta vetää toisiaan lähemmäs.
Kaasumolekyylit käyttäytyvät kuin magneetti. Kun molekyylien välinen etäisyys on riittävän pieni, ne vetävät toisiaan kohti. Vetovoima saa molekyylien välisen etäisyyden lähentymään (kaasun tilavuus pienenee). Yleensä tämä tapahtuu, kun kaasun paine on riittävän suuri (suuri paine, pieni tilavuus. Pienessä tilavuudessa molekyylien välinen etäisyys lähenee). Siksi ideaalikaasulaki ei anna tarkkoja tuloksia, kun todellisen kaasun paine ja tiheys ovat suuria.
Kaavio paineesta vs. painetilavuudesta
Ymmärtääksemme paremmin yllä olevaa ongelmaa, tarkastellaan kaaviota, joka esittää kaasun paineen ja tilavuuden välisen suhteen. Käyrät 1, 2, 3 ja 4 esittävät samaa kaasun käyttäytymistä eri lämpötiloissa. Käyrällä 1 esitetty kaasun lämpötila on korkeampi kuin käyrällä 2. Käyrällä 2 esitetty kaasun lämpötila on korkeampi kuin käyrällä 3. Käyrällä 3 esitetty kaasun lämpötila on korkeampi kuin käyrällä 4. Käyrä on kaavion keskellä oleva kauttaviiva. Kaasun lämpötila on aina kiinteä, mikä muuttaa vain kaasun painetta (P) ja tilavuutta (V).
Ideaalikaasulain mukaan pisteestä 1 alkavan viivan on päätyttävä pisteeseen 1. Samoin pisteestä 2 alkavan viivan on päätyttävä pisteeseen 2. Todellisen kaasun kokema todellisuus ei ole ideaalikaasulain ennusteen mukainen. Kun kaasun paine on riittävän suuri, kaasun tilavuus pienenee ja poikkeaa ideaalikaasulain ennusteesta (vertaa käyrää 1 ja käyrää 2). Kaasun tilavuuden poikkeaman määrä riippuu myös lämpötilasta. Jos kaasun lämpötila on alhaisempi ja lähestyy sulamispistettä eli kiehumispistettä (piste b), kaasun tilavuuspoikkeama on yleensä merkittävämpi kuin korkeammassa lämpötilassa (vertaa käyriä 1, 2, 3 ja 4). Tähän vaikuttaa kaasumolekyylien välinen vetovoima, kuten aiemmin selitettiin.
Yllä olevan kaavion käyrä 3 näyttää aineen käyttäytymisen kriittisessä lämpötilassaan. Käyrän 3 ohittamaa pistettä c kutsutaan kriittiseksi pisteeksi. Kriittistä lämpötilaa korkeammissa lämpötiloissa kaasun olomuoto ei voi muuttua nestemäiseksi, vaikka sille annettaisiin huomattava paine (vertaa käyrät 2 ja 1). Annettu paine vain pienentää kaasun tilavuutta, mutta ei voi muuttaa kaasua nesteeksi. Käänteisesti kriittistä lämpötilaa alhaisemmissa lämpötiloissa kaasu muuttuu nesteeksi, jos sille annetaan absoluuttinen paine (vertaa käyrä 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 näyttää muutoksen kaasusta nesteeksi. Varjostettu alue (joka muistuttaa vuorta) on alue, jossa kaasu ja neste ovat tasapainossa. Aluksi kaasun tilavuus on suuri. Kun kaasun paine kasvaa, kaasun tilavuus pienenee, kunnes se saavuttaa pisteen b (piste b on sulamispiste eli kiehumispiste). Kun se saapuu pisteeseen b, kaasu alkaa muuttua nesteeksi. Kaasun muuttumisen nesteeksi aikana (pisteestä b pisteeseen a) aineen tilavuus pienenee, vaikka paine ei nouse (merkitty suoralla viivalla). Pisteessä a kaikki kaasut ovat muuttuneet nesteeksi. Pisteeseen a saavuttua paineen lisääminen aineeseen johtaa vain minimaaliseen tilavuuden muutokseen (merkitty erittäin jyrkällä käyrällä).
Arkielämässä käytämme usein termejä höyry ja kaasu. Esimerkiksi vesihöyry tai typpikaasu. Tuskin koskaan kutsumme vesihöyryä vesikaasuksi, vaikka vesihöyry on vedestä peräisin olevaa kaasua. Samoin typpi, happi jne. Typestä tai hapesta käytetään yleisesti nimitystä kaasu. Kaasulla ja höyryllä on eri merkitykset. Jos aineen kaasun lämpötila on alle aineen kriittisen lämpötilan, kutsumme sitä höyryksi. Kääntäen, jos aineen kaasun lämpötila on yli aineen kriittisen lämpötilan, kutsumme sitä kaasuksi.
Paineen ja lämpötilan kaavio (vaihekaavio)
Aiemmin on kuvattu aineiden käyttäytymistä paine-tilavuus-diagrammin avulla. PV-diagrammin lisäksi aineiden käyttäytymistä voidaan selittää paine-lämpötila-T-diagrammin avulla. PT-diagrammeja kutsutaan yleisesti faasidiagrammeiksi. Niitä kutsutaan faasidiagrammeiksi, koska niitä käytetään aineen faasien vertailuun. Yksi aineista, jotka usein muuttavat faasiaan, on vesi.
Kaaviossa on kolme käyrää: haihtumiskäyrät, sulamiskäyrät ja sublimaatiokäyrät.
Haihtumiskäyrä näyttää pisteet, joissa neste ja höyry ovat tasapainossa. Pisteitä, joissa neste ja höyry ovat tasapainossa, kutsutaan sulamispisteeksi eli kiehumispisteeksi (sulamispisteeksi, koska tässä pisteessä höyry voi sulaa ja muuttua vedeksi. Kiehumispisteeksi kutsutaan, koska tässä pisteessä vesi voi kiehua ja muuttua höyryksi). Haihtumiskäyrä on siis itse asiassa kuvaaja, joka esittää paineen (P) ja kiehumispisteen/sulamislämpötilan välisen suhteen. Näyttää siltä, että mitä pienempi paine, sitä alhaisempi on veden kiehumispiste, tai mitä korkeampi paine, sitä korkeampi on veden kiehumispiste. 1 ilmakehän paineessa veden kiehumispiste on 100 ° C. Kääntäen, 218 ilmakehän paineessa veden kiehumispiste on 374 ° C.
218 ilmakehän painetta kutsutaan myös veden kriittiseksi paineeksi, kun taas 374 ° C:n lämpötilaa kutsutaan myös veden kriittiseksi lämpötilaksi. Jos höyryn lämpötila on alle 374 ° C, höyry voi muuttaa olomuotonsa nesteeksi, jos sille annetaan 374 ° C :n paine. Paine ei voi muuttaa höyryä nesteeksi, jos lämpötila on yli 218 ° C.
Sulamiskäyrä näyttää pisteet, joissa neste ja kiinteä aine ovat tasapainossa. Pistetta, jossa neste ja kiinteä aine ovat tasapainossa, kutsutaan sulamispisteeksi tai jäätymispisteeksi (sulamispisteeksi, koska tässä pisteessä jää voi sulaa vedeksi. Jäätymispisteeksi kutsutaan myös, koska tässä pisteessä vesi voi jäätyä jääksi). Sulamiskäyrä on siis kuvaaja, joka esittää paineen (P) ja sulamispisteen tai jäätymislämpötilan välisen suhteen. 1 ilmakehän paineessa veden jäätymispiste (tai jään sulamispiste) = 0 ° C. Toisin kuin 218 ilmakehän paineessa, veden jäätymispiste (tai jään sulamispiste) on alle 0 ° C. Huomaa, että 1 ilmakehän paineessa vesi on nesteessä, jos lämpötila on 0 °C ja 100 ° C välillä. Vettä on kiinteässä aineessa, jos 1 ilmakehän paineessa lämpötila on alle 0 ° C, tai vettä on höyryssä, jos 1 ilmakehän paineessa lämpötila ylittää 100 ° C .
Sublimaatiokäyrä osoittaa pisteet, joissa kiinteä aine ja höyry ovat tasapainossa 
Tasapainotilaa kutsutaan sublimaatiopisteeksi. Sublimaatiokäyrä on siis kuvaaja, joka kuvaa paineen (P) ja sublimaatiopisteen lämpötilan välistä suhdetta. Sublimaatio on prosessi, jossa kiinteä aine muuttuu höyryksi kulkematta nesteen läpi. Yleensä sublimaatio tapahtuu vain matalassa paineessa. Jää voi sublimoitua vain, jos lämpötila on alle 0.01 oC ja paine on alle 0.006 atm. Pistettä, jossa kolme käyrää leikkaavat, kutsutaan kolmoispisteeksi.
Alla on hiilidioksidin faasidiagrammi. Huomaa, että veden faasidiagrammin ja hiilidioksidin faasidiagrammin asteikko ei ole lineaarinen.
