שינויי פאזה בטמפרטורה קריטית נקודה משולשת

מאמר על שינויי פאזה בטמפרטורה קריטית נקודה משולשת

בדיון על חוק הגז האידיאלי, הוסבר כי חוק הגז האידיאלי מתאר את התנהגותו של גז אמיתי במדויק רק כאשר הלחץ והצפיפות של הגז האמיתי אינם גדולים מדי. אם הלחץ וצפיפות הגז האמיתית גדולים מספיק, חוק הגז האידיאלי מספק תוצאות לא מדויקות, באופן דומה, כאשר הטמפרטורה של הגז האמיתי מתקרבת לנקודת הרתיחה. זה קשור לאינטראקציות המתרחשות בין מולקולות גז אמיתיות. לחץ הגז נמצא ביחס הפוך לנפח הגז. כאשר לחץ הגז גדול מספיק, נפח הגז קטן יותר. מכיוון שנפח הגז נמוך, המרחק בין מולקולות הגז מתקרב. כאשר המרחק בין המולקולות מתקרב, המולקולות מושכות זו את זו. זה כמו כשמניחים חתיכת ברזל על מגנט. אם המרחק בין המגנט לברזל גדול מספיק, המגנט לא יכול למשוך ברזל. אבל אם המרחק בין המגנט לברזל קטן, ברזל מתקרב.

אז מולקולות גז מתנהגות כמו מגנט. כאשר המרחק בין המולקולות קרוב מספיק, המולקולות נמשכות זו לזו. כוח המשיכה גורם למרחק בין המולקולות להתקרב (נפח הגז קטן). בדרך כלל, זה קורה כאשר לחץ הגז גדול מספיק (לחץ גדול, נפח נמוך. נפח קטן, המרחק בין המולקולות מתקרב). לכן, חוק הגז האידיאלי אינו מספק תוצאות מדויקות כאשר הלחץ והצפיפות של הגז האמיתי גדולים.

דיאגרמה של לחץ לעומת נפח לחץ

כדי להבין טוב יותר את הבעיה לעיל, בואו נסקור את הדיאגרמה, המציגה את הקשר בין לחץ הגז לנפח. עקומות 1, 2, 3 ו-4 מראות את אותה התנהגות גז בטמפרטורות שונות. טמפרטורת הגז המוצגת בעקומה 1 גבוהה יותר מעקומה 2. טמפרטורת הגז המוצגת בעקומה 2 גבוהה יותר מעקומה 3. טמפרטורת הגז המוצגת בעקומה 3 גבוהה יותר מעקומה 4. העקומה היא הקו הנטוי במרכז הדיאגרמה. טמפרטורת הגז תמיד קבועה, מה שמשנה רק את הלחץ (P) ואת הנפח (V) של הגז.

על פי חוק הגז האידיאלי, הקו המתחיל ממספר 1 חייב להסתיים במספר 1. באופן דומה, הקו המתחיל ממספר 2 חייב להסתיים במספר 2. המציאות שחווה גז אמיתי אינה תואמת את תחזית חוק הגז האידיאלי. כאשר לחץ הגז גדול מספיק, נפח הגז קטן יותר וסוטה מתחזית חוק הגז האידיאלי (השווה לעקומה 1 ועקומה 2). כמות סטיית נפח הגז תלויה גם בטמפרטורה. אם טמפרטורת הגז נמוכה יותר ומתקרבת לנקודת ההיתוך, הלא היא נקודת הרתיחה (נקודה ב'), הגז בדרך כלל חווה סטיית נפח משמעותית יותר מאשר כאשר הטמפרטורה גבוהה יותר (השווה עקומות 1, 2, 3 ו-4). מושפעת מנוכחות משיכה בין מולקולות הגז, כפי שהוסבר קודם לכן.

עקומה 3 בתרשים למעלה מציגה את התנהגותו של חומר בטמפרטורה הקריטית שלו. הנקודה c שעוברת על ידי עקומה שלוש נקראת נקודה קריטית. בטמפרטורות גבוהות מהטמפרטורה הקריטית, צורת הגז אינה יכולה להשתנות לצורה נוזלית, למרות שניתן עליו לחץ ניכר (השווה לעקומה 2 ועקומה 1). הלחץ הנתון רק מקטין את נפח הגז, אך אינו יכול להמיר את הגז לנוזל. לעומת זאת, בטמפרטורות נמוכות מהטמפרטורה הקריטית, הגז יהפוך לנוזל אם יינתן לו לחץ מוחלט (השווה לעקומה 3). כמות הלחץ שיכולה להפוך את הגז לנוזל בטמפרטורה קריטית ידועה כלחץ קריטי. לכל חומר יש טמפרטורה קריטית ולחץ קריטי שונים.

עקומה 4 בתרשים למעלה מציגה את תהליך המעבר מגז לנוזל. האזור המוצלל (הדומה להר) הוא אזור שבו גז ונוזל נמצאים בשיווי משקל. בהתחלה, נפח הגז גדול. לאחר שלחץ הגז עולה, נפח הגז קטן עד שהוא מגיע לנקודה b (נקודה b היא נקודת ההיתוך, הידועה גם כנקודת הרתיחה). כאשר הוא מגיע לנקודה b, הגז מתחיל להפוך לנוזל. במהלך תהליך שינוי הגז לנוזל (מנקודה b לנקודה a), נפח החומר קטן למרות שאין עלייה בלחץ (מסומן בקו ישר). בנקודה a, כל הגזים הפכו לנוזל. לאחר ההגעה לנקודה, הוספת לחץ לחומר גורמת רק לשינוי נפח מינימלי (מסומן בעקומה תלולה מאוד).

בחיי היומיום, אנו משתמשים לעתים קרובות במונחים קיטור וגז. לדוגמה, אדי מים או גז חנקן. כמעט אף פעם לא מתייחסים לאדי מים כגז מים, למרות שאדי מים הם גז ממים. כך גם עם חנקן, חמצן וכו'. חנקן או חמצן מכונים בדרך כלל גז. לגז וקיטור יש משמעויות שונות. אם הגז מחומר נמצא מתחת לטמפרטורה הקריטית של החומר, אז אנו קוראים לו קיטור. לעומת זאת, אם הגז מחומר נמצא מעל לטמפרטורה הקריטית של החומר, אז אנו קוראים לו גז.

דיאגרמת לחץ לעומת טמפרטורה (דיאגרמת פאזה)

תיארנו קודם לכן את התנהגותם של חומרים, באמצעות דיאגרמה של לחץ לעומת נפח. בנוסף לשימוש בדיאגרמת PV, ניתן להסביר את התנהגותם של חומרים באמצעות דיאגרמה של לחץ (P) לעומת טמפרטורה (T). דיאגרמות PT מכונות בדרך כלל דיאגרמות פאזה. הן נקראות דיאגרמת פאזה מכיוון שדיאגרמה זו משמשת להשוואת הפאזות של חומר. אחד החומרים שמשנים פאזה לעתים קרובות הוא מים.

ישנן שלוש עקומות בדיאגרמה, כלומר עקומות אידוי, עקומות התכה ועקומות סובלימציה.

עקומת האידוי מציגה את הנקודות בהן הנוזל והאדים נמצאים בשיווי משקל. הנקודה בה הנוזל והאדים נוצרים בשיווי משקל נקראת נקודת ההיתוך, הידועה גם כנקודת הרתיחה (הנקראת נקודת התכה מכיוון שבנקודה זו קיטור יכול להימס ולהפוך למים. נקראת נקודת רתיחה מכיוון שבנקודה זו מים יכולים לרתוח ולהפוך לקיטור). לכן, עקומת האידוי היא למעשה גרף המציג את הקשר בין לחץ (P) לנקודת רתיחה / טמפרטורת ההיתוך. נראה שככל שהלחץ קטן יותר, כך טמפרטורת נקודת הרתיחה של המים נמוכה יותר, או ככל שהלחץ גבוה יותר, כך טמפרטורת נקודת הרתיחה של המים גבוהה יותר. בלחץ של 1 אטמוספרה, טמפרטורת נקודת הרתיחה של המים היא 100 ^מעלות צלזיוס. לעומת זאת, בלחץ של 218 אטמוספרות, טמפרטורת נקודת הרתיחה של מים = 374 ^מעלות צלזיוס.

לחץ של 218 אטמוספרות נקרא גם לחץ קריטי של מים, בעוד שטמפרטורה של 374 ^מעלות צלזיוס נקראת גם טמפרטורה קריטית של מים. אם טמפרטורת האדים נמוכה מ-374 ^מעלות צלזיוס, אז קיטור יכול לשנות את מופעו לנוזל אם ניתן לו לחץ של 374 ^מעלות צלזיוס. לחץ לא יכול להפוך את הקיטור לנוזל אם הטמפרטורה גבוהה מ-218 ^מעלות צלזיוס.

עקומת ההיתוך מציגה את הנקודות בהן הנוזל והמוצק נמצאים בשיווי משקל. הנקודה שבה הנוזל והמוצק נמצאים בשיווי משקל נקראת נקודת ההיתוך או נקודת הקיפאון (נקראת נקודת ההיתוך מכיוון שבנקודה זו קרח יכול להימס למים. נקראת נקודת קיפאון מכיוון שבנקודה זו מים יכולים לקפוא ולהפוך לקרח). לכן, עקומת ההיתוך היא גרף המציג את הקשר בין לחץ (P) לנקודת ההיתוך או טמפרטורת הקיפאון. בלחץ של 1 אטמ', נקודת הקיפאון של מים (או נקודת ההיתוך של קרח) = 0 ^מעלות צלזיוס. בניגוד ללחץ של 218 אטמ', נקודת הקיפאון של מים (או נקודת ההיתוך של קרח) היא פחות מ-0 ^מעלות צלזיוס. שימו לב שבלחץ של 1 אטמ', מים נמצאים בנוזל אם הטמפרטורה היא בין 0 מעלות צלזיוס ל-100 ^מעלות צלזיוס. מים נמצאים במוצק אם, בלחץ של 1 אטמ', הטמפרטורה נמוכה מ-0 ^מעלות צלזיוס או מים נמצאים באדים אם, בלחץ של 1 אטמ', הטמפרטורה עולה על 100 ^מעלות צלזיוס .

עקומת הסובלימציה מציגה את הנקודות בהן מוצק ואדים נמצאים בשיווי משקל שיווי משקל נקרא נקודת סובלימציה. לכן, עקומת הסובלימציה היא גרף המציג את הקשר בין לחץ (P) לטמפרטורה של נקודת הסובלימציה. סובלימציה היא תהליך של הפיכת מוצק לקיטור, מבלי לעבור דרך נוזל. בדרך כלל, סובלימציה מתרחשת רק בלחץ נמוך. קרח יכול לעבור סובלימציה רק ​​אם הטמפרטורה נמוכה מ-0.01 ^oC והלחץ קטן מ-0.006 אטמוספרות. הנקודה שבה שלוש העקומות מצטלבות נקראת נקודה משולשת.

להלן דיאגרמת פאזות של פחמן דו-חמצני. שימו לב שקנה ​​המידה בדיאגרמת פאזות המים ודיאגרמת הפאזות של פחמן דו-חמצני אינם ליניאריים.