Anyagváltozások az állapotkritikus hőmérséklet hármaspontjában
Az ideális gáztörvény tárgyalása során kifejtettük, hogy az ideális gáztörvény csak akkor írja le pontosan egy valódi gáz viselkedését, ha a valódi gáz nyomása és sűrűsége nem túl magas. Ha a valódi gáz nyomása és sűrűsége elég nagy, az ideális gáztörvény pontatlan eredményeket produkál. Ez akkor is igaz, ha a valódi gáz hőmérséklete megközelíti a forráspontját.
Ez valójában a valódi gázmolekulák között bekövetkező kölcsönhatásokkal kapcsolatos. A gáznyomás fordítottan arányos a gáz térfogatával. Amikor a gáznyomás elég magas, a gáz térfogata kisebb lesz. Mivel a gáz térfogata kicsi, a gázmolekulák közötti távolság kisebb lesz. Amikor a molekulák közötti távolság kisebb, a molekulák vonzzák egymást. Ez hasonló ahhoz, mint amikor egy darab vasat közel viszünk egy mágneshez. Ha a mágnes és a vas közötti távolság elég nagy, a mágnes nem tudja vonzani a vasat. De ha a mágnes és a vas közötti távolság kicsi, a vas közelebb kerül.
Tehát a fenti ábrán a gázmolekulák úgy viselkednek, mint a mágnesek és a vas… Amikor a molekulák közötti távolság elég kicsi, a molekulák vonzzák egymást. A vonzóerők jelenléte a molekulák közötti távolság csökkenését okozza (a gáz térfogata csökken). Ez általában akkor történik, amikor a gáznyomás elég nagy (Nagy nyomás, kis térfogat. Kis térfogat, a molekulák közötti távolság csökken). Ezért az ideális gáztörvény nem ad pontos eredményeket, ha a valódi gáz nyomása és sűrűsége elég nagy.
Nyomás vs. térfogat diagram
A fenti probléma jobb megértése érdekében tekintsük át a diagramot, amely a gáz nyomása és térfogata közötti összefüggést mutatja. Az 1., 2., 3. és 4. görbék ugyanazon gáz viselkedését mutatják különböző hőmérsékleteken. Az 1. görbén látható gáz hőmérséklete magasabb, mint a 2. görbén látható. A 2. görbén látható gáz hőmérséklete magasabb, mint a 3. görbén látható gáz hőmérséklete. A 3. görbén látható gáz hőmérséklete magasabb, mint a 4. görbén látható görbe. A görbe egy ferde vonal a diagram közepén. A gáz hőmérséklete mindig állandó marad, az egyetlen változás a gáz nyomása (P) és térfogata (V).
Az ideális gáztörvény szerint az 1-nél kezdődő egyenesnek 1-nél kell végződnie. Hasonlóképpen, egy 2-nél kezdődő egyenesnek 2-nél kell végződnie. A valódi gázok által tapasztalt valóság nem egyezik az ideális gáztörvény előrejelzéseivel. Amikor a gáznyomás elég magas, a gáz térfogata kisebb lesz, és eltér az ideális gáztörvény előrejelzéseitől (vö. 1. és 2. görbék). A gáztérfogat eltérésének nagysága a hőmérséklettől is függ. Ha a gáz hőmérséklete alacsonyabb és közel van az olvadásponthoz, más néven forrásponthoz (b pont), a gáz általában nagyobb térfogateltérést tapasztal, mint magasabb hőmérséklet esetén (vö. 1., 2., 3. és 4. görbék). Ezt a gázmolekulák közötti vonzóerők befolyásolják, amint azt korábban ismertettük.
A fenti ábrán a 3. görbe egy anyag viselkedését mutatja a kritikus hőmérsékletén. A c pontot, amelyen a 3. görbe áthalad, kritikus pontnak nevezzük. A kritikus hőmérsékletnél magasabb hőmérsékleten a gáz még nagyon nagy nyomás esetén sem tud folyékony halmazállapotúvá válni (vö. a 2. és 1. görbével). Az alkalmazott nyomás csak csökkenti a gáz térfogatát, de nem tudja folyékony halmazállapotúvá tenni. Fordítva, a kritikus hőmérsékletnél alacsonyabb hőmérsékleten a gáz folyékony halmazállapotúvá válik, ha egy bizonyos nyomást alkalmazunk rá (vö. a 3. görbével). Azt a nyomásértéket, amely a gázt folyékony halmazállapotúvá tudja változtatni a kritikus hőmérsékleten, kritikus nyomásnak nevezzük. Minden anyagnak más a kritikus hőmérséklete és a kritikus nyomása.
A fenti ábrán a 4. görbe a gáz halmazállapotból folyékony halmazállapotba való átmenet folyamatát mutatja. Az árnyékolt terület (egy hegyre emlékeztet) az a terület, ahol a gáz- és folyékony fázis egyensúlyban van. Kezdetben a gáz térfogata meglehetősen nagy. Miután a gáznyomás megnő, a gáz térfogata csökken, amíg el nem éri a b pontot (a b pont az olvadáspont, más néven forráspont). Amikor eléri a b pontot, a gáz folyékony halmazállapotúvá kezd válni. A gáz halmazállapotból folyékony halmazállapotba való átmenet folyamata során (a b pontból az a pontba) az anyag térfogata csökken, annak ellenére, hogy a nyomás nem növekszik (ezt egyenes vonal jelöli). Az a pontban az összes gáz folyékony halmazállapotúvá vált. Az a pont elérése után az anyagra nehezedő nyomás növekedése csak nagyon kis térfogatváltozást eredményez (ezt a görbe nagyon meredek alakja jelzi).
A mindennapi életben gyakran használjuk a gőz és a gáz kifejezéseket. Például vízgőz vagy nitrogéngáz. A vízgőzt szinte soha nem nevezzük vízgáznak, pedig a vízgőz valójában a víz gáznemű formája. Ugyanez vonatkozik a nitrogénre, az oxigénre stb. A nitrogént vagy az oxigént általában gázoknak nevezzük. A gáznak és a gőznek különböző jelentése van. Ha egy anyag gáznemű halmazállapota az anyag kritikus hőmérséklete alatt van , akkor gőznek nevezzük. Fordítva, ha egy anyag gáznemű halmazállapota az anyag kritikus hőmérséklete felett van , akkor gáznak nevezzük.
Nyomás vs. hőmérséklet diagram (fázisdiagram)
Korábban az anyagok viselkedését nyomás-térfogat diagrammal ismertettük. A PV diagram mellett az anyagok viselkedése nyomás (P)-hőmérséklet (T) diagrammal is magyarázható. A PT diagramot általában fázisdiagramnak nevezik. Fázisdiagramnak azért nevezik, mert egy anyag fázisainak, vagy halmazállapotainak összehasonlítására használják. Az egyik olyan anyag, amely gyakran halmazállapot-változáson megy keresztül, a víz.
A diagramon három görbe látható, nevezetesen a párolgási görbe, az olvadási görbe és a szublimációs görbe.
A párolgási görbe azokat a pontokat mutatja, ahol a folyadék és a gőz egyensúlyban van. Azt a pontot, ahol a folyadék és a gőz egyensúlyban van, olvadáspontnak vagy forráspontnak nevezzük (Olvadáspontnak azért nevezzük, mert ezen a ponton a gőz megolvadhat és vízzé alakulhat. Forráspontnak azért nevezzük, mert ezen a ponton a víz felforrhat és gőzzé alakulhat). Így a párolgási görbe valójában egy grafikon, amely a nyomás (P) és a forráspont/olvadáspont-hőmérséklet közötti összefüggést mutatja. Úgy tűnik, hogy minél kisebb a nyomás, annál alacsonyabb a víz forráspontja, vagy minél nagyobb a nyomás, annál magasabb a víz forráspontja. 1 atm nyomáson a víz forráspontja = 100 ° C. Fordítva, 218 atm nyomáson a víz forráspontja = 374 ° C.
A 218 atm nyomást a víz kritikus nyomásának, míg a 374 ° C hőmérsékletet a víz kritikus hőmérsékletének is nevezik. Ha a gőz hőmérséklete 374 ° C-nál alacsonyabb, akkor a gőz 374 ° C nyomáson folyékony halmazállapotúvá válhat. Semmilyen nyomás nem képes folyékony halmazállapotúvá tenni a gőzt, ha a hőmérséklete magasabb, mint 218 ° C.
Az olvadási görbe azokat a pontokat mutatja, ahol a folyékony és a szilárd halmazállapot egyensúlyban van. Azt a pontot, ahol a folyékony és a szilárd halmazállapot egyensúlyban van, olvadáspontnak vagy fagyáspontnak nevezzük (Olvadáspontnak azért nevezzük, mert ezen a ponton a jég vízzé olvadhat. Fagyáspontnak azért nevezzük, mert ezen a ponton a víz jéggé fagyhat). Így az olvadási görbe valójában egy grafikon, amely a nyomás (P) és az olvadáspont vagy fagyáspont-hőmérséklet közötti összefüggést mutatja. 1 atm nyomáson a víz fagyáspontja (vagy a jég olvadáspontja) = 0. oC. Fordítva, 218 atm nyomáson a víz fagyáspontja (vagy a jég olvadáspontja) kisebb, mint 0. oC. Megjegyzendő, hogy 1 atm nyomáson a víz folyékony halmazállapotú, ha a hőmérséklet 0 és 10 °C között van. oC és 100 oC. A víz szilárd halmazállapotú, ha 1 atm nyomáson a hőmérséklete 0 alatt van. oC vagy víz gőz formájában van, ha 1 atm nyomáson a hőmérséklete meghaladja a 100-at oC.
A szublimációs görbe azokat a pontokat mutatja, ahol a szilárd és a gőz halmazállapot egyensúlyban van. Azt a pontot, ahol a szilárd és a gőz halmazállapot egyensúlyban van, szublimációs pontnak nevezzük. Így a szublimációs görbe valójában egy grafikon, amely a nyomás (P) és a szublimációs pont hőmérséklete közötti kapcsolatot mutatja... A szublimáció az a folyamat, amelynek során a szilárd halmazállapot gőzzé alakul anélkül, hogy áthaladna a folyékony halmazállapoton... A szublimáció általában csak alacsony nyomáson következik be. A jég csak akkor tud szublimálni, ha a hőmérséklet kevesebb, mint 0,01 ° C, a nyomás pedig kevesebb, mint 0,006 atm. Azt a pontot, ahol a három görbe metszi egymást, hármaspontnak nevezzük.
Az alábbiakban a szén-dioxid fázisdiagramja látható. Megjegyzendő, hogy a víz fázisdiagramján és a szén-dioxid fázisdiagramján látható skálák nem lineárisak.
