Medžiagos pokyčiai kritinės temperatūros trigubajame taške
Aptariant idealiųjų dujų dėsnį, buvo paaiškinta, kad idealiųjų dujų dėsnis tiksliai apibūdina realių dujų elgseną tik tada, kai realių dujų slėgis ir tankis nėra per dideli. Jei realių dujų slėgis ir tankis yra pakankamai dideli, idealiųjų dujų dėsnis duoda netikslius rezultatus. Tas pats pasakytina ir apie atvejus, kai realių dujų temperatūra artėja prie virimo temperatūros.
Tai iš tikrųjų susiję su sąveika, vykstančia tarp realių dujų molekulių. Dujų slėgis yra atvirkščiai proporcingas dujų tūriui. Kai dujų slėgis yra pakankamai didelis, dujų tūris sumažėja. Kadangi dujų tūris mažas, atstumas tarp dujų molekulių sumažėja. Kai atstumas tarp molekulių yra mažesnis, molekulės traukia viena kitą. Tai panašu į tai, kai geležies gabalas priartinamas prie magneto. Jei atstumas tarp magneto ir geležies yra pakankamai didelis, magnetas negali pritraukti geležies. Tačiau jei atstumas tarp magneto ir geležies yra mažas, geležis traukiama arčiau.
Taigi, aukščiau esančioje iliustracijoje dujų molekulės elgiasi kaip magnetai ir geležis... Kai atstumas tarp molekulių yra pakankamai mažas, jos traukia viena kitą. Dėl traukos jėgų atstumas tarp molekulių suartėja (dujų tūris sumažėja). Paprastai tai atsitinka, kai dujų slėgis yra pakankamai didelis (didelis slėgis, mažas tūris. Mažas tūris, atstumas tarp molekulių suartėja). Todėl idealiųjų dujų dėsnis neduoda tikslių rezultatų, kai realių dujų slėgis ir tankis yra pakankamai dideli.
Slėgio ir tūrio diagrama
Norėdami geriau suprasti aukščiau pateiktą problemą, peržiūrėkime diagramą, kurioje parodytas dujų slėgio ir tūrio ryšys. 1, 2, 3 ir 4 kreivės rodo tų pačių dujų elgseną skirtingose temperatūrose. 1 kreivėje parodytų dujų temperatūra yra aukštesnė nei 2 kreivėje. 2 kreivėje parodytų dujų temperatūra yra aukštesnė nei 3 kreivėje. 3 kreivėje parodytų dujų temperatūra yra aukštesnė nei 4 kreivėje. Kreivė yra pasvirusi linija diagramos viduryje. Dujų temperatūra visada išlieka pastovi, keičiasi tik dujų slėgis (P) ir tūris (V).
Pagal idealiųjų dujų dėsnį, linija, prasidedanti nuo 1, turi baigtis ties 1. Taip pat linija, prasidedanti nuo 2, turi baigtis ties 2. Realioji dujų patirtis neatitinka idealiųjų dujų dėsnio prognozių. Kai dujų slėgis yra pakankamai aukštas, dujų tūris tampa mažesnis ir nukrypsta nuo idealiųjų dujų dėsnio prognozių (palyginkite 1 ir 2 kreives). Dujų tūrio nuokrypio dydis taip pat priklauso nuo temperatūros. Jei dujų temperatūra yra žemesnė ir artima lydymosi temperatūrai, dar vadinamai virimo temperatūra (b taškas), dujų tūrio nuokrypis paprastai yra didesnis, palyginti su tuo, kai temperatūra yra aukštesnė (palyginkite 1, 2, 3 ir 4 kreives). Tam įtakos turi traukos jėgos tarp dujų molekulių, kaip paaiškinta anksčiau.
Aukščiau pateiktoje diagramoje 3 kreivė rodo medžiagos elgseną kritinėje temperatūroje. Taškas c, per kurį eina 3 kreivė, vadinamas kritiniu tašku. Esant aukštesnei nei kritinė temperatūrai, dujos negali virsti skysčiu net ir esant labai aukštam slėgiui (palyginkite su 2 ir 1 kreivėmis). Taikomas slėgis tik sumažina dujų tūrį, bet negali jų paversti skysčiu. Ir atvirkščiai, esant žemesnei nei kritinė temperatūrai, dujos virs skysčiu, jei bus taikomas tam tikras slėgis (palyginkite su 3 kreive). Slėgio kiekis, galintis pakeisti dujas į skystį kritinėje temperatūroje, vadinamas kritiniu slėgiu. Kiekviena medžiaga turi skirtingą kritinę temperatūrą ir kritinį slėgį.
Aukščiau pateiktoje diagramoje 4 kreivė rodo virsmo iš dujų į skystį procesą. Užtamsinta sritis (primenanti kalną) yra sritis, kurioje dujų ir skysčio fazės yra pusiausvyroje. Iš pradžių dujų tūris yra gana didelis. Padidėjus dujų slėgiui, dujų tūris mažėja, kol pasiekia tašką b (taškas b yra lydymosi temperatūra, dar vadinama virimo temperatūra). Kai pasiekia tašką b, dujos pradeda virsti skysčiu. Dujų virsmo iš skysčio proceso metu (iš taško b į tašką a) medžiagos tūris sumažėja, net jei slėgis nedidėja (pažymėta tiesia linija). Taške a visos dujos virsta skysčiu. Pasiekus tašką a, didėjantis medžiagos slėgis sukelia tik labai nedidelį tūrio pokytį (pažymėta labai stati kreivės forma).
Kasdieniame gyvenime dažnai vartojame terminus garai ir dujos. Pavyzdžiui, vandens garai arba azoto dujos. Beveik niekada vandens garų nevadiname vandens dujomis, nors vandens garai iš tikrųjų yra dujinė vandens forma. Tas pats pasakytina ir apie azotą, deguonį ir kt. Azotas arba deguonis dažniausiai vadinami dujomis. Dujos ir garai turi skirtingas reikšmes. Jei medžiagos dujinė būsena yra žemesnė už kritinę medžiagos temperatūrą, vadiname ją garais. Ir atvirkščiai, jei medžiagos dujinė būsena yra aukštesnė už kritinę medžiagos temperatūrą, vadiname ją dujomis.
Slėgio ir temperatūros diagrama (fazės diagrama)
Anksčiau medžiagų elgseną aiškinome naudodami slėgio ir tūrio diagramą. Be PV diagramos, medžiagų elgseną galima paaiškinti naudojant slėgio (P) ir temperatūros (T) diagramą. PT diagrama dažnai vadinama fazių diagrama. Ji vadinama fazių diagrama, nes ji naudojama medžiagos fazėms arba būsenoms palyginti. Viena medžiaga, kurios būsena dažnai kinta, yra vanduo.
Diagramoje yra trys kreivės: garavimo kreivė, lydymosi kreivė ir sublimacijos kreivė.
Garavimo kreivė rodo taškus, kuriuose skystis ir garai yra pusiausvyroje. Taškas, kuriame skystis ir garai yra pusiausvyroje, vadinamas lydymosi arba virimo temperatūra (ji vadinama lydymosi temperatūra, nes šiame taške garai gali ištirpti ir virsti vandeniu. Ji vadinama virimo temperatūra, nes šiame taške vanduo gali užvirti ir virsti garais). Taigi, garavimo kreivė iš tikrųjų yra grafikas, rodantis slėgio (P) ir virimo temperatūros / lydymosi temperatūros santykį. Atrodo, kad kuo mažesnis slėgis, tuo žemesnė vandens virimo temperatūra, o kuo didesnis slėgis, tuo aukštesnė vandens virimo temperatūra. Esant 1 atmosferos slėgiui, vandens virimo temperatūra = 100 ° C. Ir atvirkščiai, esant 218 atmosferos slėgiui, vandens virimo temperatūra = 374 ° C.
218 atm slėgis taip pat žinomas kaip kritinis vandens slėgis, o 374 ° C temperatūra – kaip kritinė vandens temperatūra. Jei garų temperatūra yra žemesnė nei 374 ° C, tai garai gali virsti skysčiu, jei jiems tiekiamas 374 ° C slėgis. Joks slėgis negali paversti garų skysčiu, jei temperatūra yra aukštesnė nei 218 ° C.
Lydymosi kreivė rodo taškus, kuriuose skystoji ir kietoji būsenos yra pusiausvyroje. Taškas, kuriame skystoji ir kietoji būsenos yra pusiausvyroje, vadinamas lydymosi arba užšalimo temperatūra (ji vadinama lydymosi temperatūra, nes šiame taške ledas gali ištirpti ir virsti vandeniu. Ji vadinama užšalimo temperatūra, nes šiame taške vanduo gali užšalti ir tapti ledu). Taigi, lydymosi kreivė iš tikrųjų yra grafikas, rodantis slėgio (P) ir lydymosi arba užšalimo temperatūros santykį. Esant 1 atmosferos slėgiui, vandens užšalimo temperatūra (arba ledo lydymosi temperatūra) = 0. oC. Ir atvirkščiai, esant 218 atm slėgiui, vandens užšalimo temperatūra (arba ledo lydymosi temperatūra) yra mažesnė nei 0. oC. Atkreipkite dėmesį, kad esant 1 atmosferos slėgiui, vanduo yra skystos būsenos, jei temperatūra yra tarp 0 o100 iš C oC. Vanduo yra kietos būsenos, jei esant 1 atmosferos slėgiui, temperatūra žemesnė nei 0 oC arba vanduo yra garų pavidalu, jei esant 1 atmosferos slėgiui, temperatūra yra aukštesnė nei 100 oC.
Sublimacijos kreivė rodo taškus, kuriuose kietoji medžiaga ir garai yra pusiausvyroje. Taškas, kuriame kietoji medžiaga ir garai yra pusiausvyroje, vadinamas sublimacijos tašku. Taigi, sublimacijos kreivė iš tikrųjų yra grafikas, rodantis slėgio (P) ir sublimacijos taško temperatūros santykį... Sublimacija yra kietosios būsenos pavertimas garais, nepereinant per skystąją būseną... Paprastai sublimacija vyksta tik esant žemam slėgiui. Ledas gali sublimuotis tik tada, kai temperatūra yra žemesnė nei 0,01 ° C, o slėgis yra mažesnis nei 0,006 atm. Taškas, kuriame susikerta trys kreivės, vadinamas trigubuoju tašku.
Žemiau pateikta anglies dioksido fazių diagrama. Atkreipkite dėmesį, kad vandens fazių diagramos ir anglies dioksido fazių diagramos skalės nėra tiesinės.
