Cikk a fázisváltozásokról Kritikus hőmérséklet Hármaspont
Az ideális gáztörvény tárgyalása során kifejtettük, hogy az ideális gáztörvény csak akkor írja le pontosan a valódi gáz viselkedését, ha a valódi gáz nyomása és sűrűsége nem túl nagy. Ha a nyomás és a valódi gáz sűrűsége elég nagy, az ideális gáztörvény pontatlan eredményeket ad, hasonlóképpen, amikor a valódi gáz hőmérséklete megközelíti a forráspontot. Ez összefügg a valódi gázmolekulák között fellépő kölcsönhatásokkal. A gáznyomás fordítottan arányos a gáz térfogatával. Amikor a gáznyomás elég nagy, a gáz térfogata kisebb lesz. Mivel a gáz térfogata kicsi, a gázmolekulák közötti távolság kisebb lesz. Amikor a molekulák közötti távolság közelebb lesz, a molekulák vonzzák egymást. Ez olyan, mint amikor egy darab vasat helyezünk egy mágnesre. 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 gázmolekulák mágnesként viselkednek. Amikor a molekulák közötti távolság elég kicsi, a molekulák egymáshoz húzódnak. A húzóerő miatt a molekulák közötti távolság közelebb kerül (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 nagy.
Nyomás és nyomástérfogat diagramja
A fenti probléma jobb megértése érdekében tekintsük át az ábrát, amely a gáznyomás és a térfogat közötti összefüggést mutatja. Az 1., 2., 3. és 4. görbék ugyanazt a gázviselkedést mutatják különböző hőmérsékleteken. Az 1. görbén látható gázhőmérséklet magasabb, mint a 2. görbén látható. A 2. görbén látható gázhőmérséklet magasabb, mint a 3. görbén látható. A 3. görbén látható gázhőmérséklet magasabb, mint a 4. görbén látható. A görbe a diagram közepén található perjel. A gázhőmérséklet mindig rögzített, ami csak a gáz nyomását (P) és térfogatát (V) változtatja.
Az ideális gáztörvény szerint az 1-es ponttól kezdődő egyenesnek az 1-es pontban kell végződnie. Hasonlóképpen, a 2-es ponttól kezdődő egyenesnek a 2-es pontban kell véget érnie. A valódi gáz által tapasztalt valóság nem felel meg az ideális gáztörvény szerinti előrejelzésnek. Amikor a gáznyomás elég nagy, a gáz térfogata kisebb lesz, és eltér az ideális gáztörvény szerinti előrejelzéstől (vö. az 1. és 2. görbével). A gáztérfogat-eltérés mértéke a hőmérséklettől is függ. Ha a gáz hőmérséklete alacsonyabb, és megközelíti az olvadáspontot, más néven a forráspontot (b pont), a gáz általában jelentősebb térfogat-eltérést tapasztal, mint magasabb hőmérsékleten (vö. az 1., 2., 3. és 4. görbével). Ezt befolyásolja a gázmolekulák közötti vonzás jelenléte, amint azt korábban ismertettük.
A fenti ábrán a 3. görbe egy anyag viselkedését mutatja a kritikus hőmérsékletén. A 3. görbe által áthaladó c pontot kritikus pontnak nevezzük. A kritikus hőmérsékletnél magasabb hőmérsékleten a gáz halmazállapota nem tud folyékony halmazállapotúvá válni, még jelentős nyomás mellett sem (vö. a 2. és az 1. görbével). A nyomás csak csökkenti a gáz térfogatát, de nem tudja a gázt folyékony halmazállapotúvá alakítani. Fordítva, a kritikus hőmérsékletnél alacsonyabb hőmérsékleten a gáz folyékony halmazállapotúvá válik, ha abszolút nyomást alkalmazunk rá (vö. a 3. görbével). Azt a nyomásértéket, amely a gázt folyékony halmazállapotúvá tudja alakítani egy kritikus hőmérsékleten, kritikus nyomásnak nevezzük. Minden anyagnak más a kritikus hőmérséklete és a kritikus nyomása.
A fenti ábrán a 4. görbe a gáz halmazállapotú anyagból folyékony halmazállapotú anyaggá válásának folyamatát mutatja. Az árnyékolt terület (egy hegyre emlékeztet) azt a területet jelöli, ahol a gáz és a folyadék egyensúlyban van. Először a gáz térfogata nagy. A gáznyomás növekedése után a gáz térfogata csökken, amíg el nem éri a b pontot (a b pont az olvadáspont, más néven a forráspont). Amikor eléri a b pontot, a gáz elkezd folyékony halmazállapotúvá válni. A gáz halmazállapotú anyag folyékony halmazállapotúvá válásának folyamata során (a b ponttól az a pontig) az anyag térfogata csökken, annak ellenére, hogy a nyomás nem növekszik (egyenes vonallal jelölve). Az a pontban minden gáz folyékony halmazállapotúvá válik. Az a pont elérése után az anyagra gyakorolt nyomás csak minimális térfogatváltozást eredményez (egy nagyon meredek görbe jelöli).
A mindennapi életben gyakran használjuk a gőz és a gáz kifejezéseket. Például vízgőz vagy nitrogéngáz. A vízgőzt ritkán nevezzük vízgáznak, pedig a vízgőz vízből származó gáz. Hasonlóképpen a nitrogénnel, az oxigénnel stb. A nitrogént vagy az oxigént általában gáznak nevezzük. A gáznak és a gőznek különböző jelentése van. Ha egy anyagból származó gáz hőmérséklete az anyag kritikus hőmérséklete alatt van, akkor gőznek nevezzük. Fordítva, ha egy anyagból származó gáz hőmérséklete az anyag kritikus hőmérséklete felett van, akkor gáznak nevezzük.
A nyomás és a hőmérséklet összefüggésének diagramja (fázisdiagram)
Korábban az anyagok viselkedését a nyomás-térfogat diagram segítségével ismertettük. A PV diagram használata mellett az anyagok viselkedése a nyomás (P)-hőmérséklet (T) diagrammal is magyarázható. A PT diagramokat általában fázisdiagramoknak nevezik. Fázisdiagramnak azért nevezik, mert ezt a diagramot használják egy anyag fázisainak összehasonlítására. Az egyik olyan anyag, amely gyakran változtatja a fázist, a víz.
A diagramon három görbe látható, nevezetesen párolgási görbék, olvadási görbék és szublimációs görbék.
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, más néven 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). Tehát a párolgási görbe valójában egy grafikon, amely a nyomás (P) és a forráspont/olvadáspont közötti kapcsolatot 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 szintén a víz kritikus hőmérsékletének nevezik. Ha a gőz hőmérséklete 374 ° C alatt van, akkor a gőz folyékony halmazállapotba tud alakulni, ha 374 ° C nyomást alkalmazunk rá. A nyomás nem tudja a gőzt folyékony halmazállapotúvá alakítani, ha a hőmérséklete magasabb, mint 218 ° C.
Az olvadási görbe azokat a pontokat mutatja, ahol a folyadék és a szilárd anyag egyensúlyban van. Azt a pontot, ahol a folyadék és a szilárd anyag egyensúlyban van, olvadáspontnak vagy fagyáspontnak nevezzük (olvadáspontnak, mert ezen a ponton a jég vízzé olvadhat. Fagyáspontnak is nevezzük, mert ezen a ponton a víz jéggé fagyhat). Az olvadási görbe tehát egy grafikon, amely a nyomás (P) és az olvadáspont vagy fagyáspont közötti kapcsolatot mutatja. 1 atm nyomáson a víz fagyáspontja (vagy a jég olvadáspontja) = 0 ° C. A 218 atm nyomással ellentétben a víz fagyáspontja (vagy a jég olvadáspontja) alacsonyabb, mint 0 ° C. Megjegyzendő, hogy 1 atm nyomáson a víz folyékony halmazállapotú, ha a hőmérséklete 0 °C és 100 ° C között van. A víz a szilárd anyagban van, ha 1 atm nyomáson a hőmérséklet alacsonyabb, mint 0 ° C, vagy a víz a gőzben van, ha 1 atm nyomáson a hőmérséklet meghaladja a 100 ° C-ot.
A szublimációs görbe azt mutatja, hogy hol van egyensúlyban a szilárd és a gőz halmazállapota. 
Az egyensúlyi állapotot szublimációs pontnak nevezzük. Így a szublimációs görbe egy grafikon, amely a nyomás (P) és a szublimációs pont hőmérséklete közötti kapcsolatot mutatja. A szublimáció az a folyamat, amelynek során a szilárd anyag gőzzé alakul anélkül, hogy folyadékon áthaladna. A szublimáció általában csak alacsony nyomáson következik be. A jég csak akkor tud szublimálni, ha a hőmérséklete kisebb, mint 0.01. oC, és a nyomás kisebb, mint 0.006 atm. A három görbe metszéspontját hármaspontnak nevezzük.
Az alábbi kép a szén-dioxid fázisdiagramját mutatja. Fontos megjegyezni, hogy a víz fázisdiagramjának és a szén-dioxid fázisdiagramjának skálája nem lineáris.
