Straipsnis apie fazės pokyčius ir kritinę temperatūrą. Trigubas taškas.
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 slėgis ir realių dujų tankis yra pakankamai dideli, idealiųjų dujų dėsnis pateikia netikslius rezultatus, taip pat, kai realių dujų temperatūra artėja prie virimo temperatūros. Tai susiję su sąveikomis, vykstančiomis tarp realių dujų molekulių. Dujų slėgis yra atvirkščiai proporcingas dujų tūriui. Kai dujų slėgis yra pakankamai didelis, dujų tūris sumažėja. Kadangi dujų tūris yra mažas, atstumas tarp dujų molekulių sumažėja. Kai atstumas tarp molekulių sumažėja, molekulės traukia viena kitą. Tai panašu į tai, kai ant magneto uždedate geležies gabalą. Jei atstumas tarp magneto ir geležies yra pakankamai didelis, magnetas negali traukti geležies. Tačiau jei atstumas tarp magneto ir geležies yra mažas, geležis artėja.
Taigi dujų molekulės elgiasi kaip magnetas. Kai atstumas tarp molekulių yra pakankamai mažas, molekulės traukiasi viena kitą. Traukos jėga priverčia atstumą tarp molekulių suartėti (dujų tūris mažėja). Paprastai tai atsitinka, kai dujų slėgis yra pakankamai didelis (didelis slėgis, mažas tūris. Mažas tūris – atstumas tarp molekulių artėja). Todėl idealiųjų dujų dėsnis nesuteikia tikslių rezultatų, kai realių dujų slėgis ir tankis yra dideli.
Slėgio ir slėgio tūrio diagrama
Norėdami geriau suprasti aukščiau pateiktą problemą, peržiūrėkime diagramą, kurioje parodytas dujų slėgio ir tūrio ryšys. 1, 2, 3 ir 4 kreivės rodo tą pačią dujų elgseną skirtingose temperatūrose. 1 kreivėje parodyta dujų temperatūra yra aukštesnė nei 2 kreivėje. 2 kreivėje parodyta dujų temperatūra yra aukštesnė nei 3 kreivėje. 3 kreivėje parodyta dujų temperatūra yra aukštesnė nei 4 kreivėje. Kreivė yra brūkšnys diagramos viduryje. Dujų temperatūra visada yra fiksuota, todėl keičiasi tik dujų slėgis (P) ir tūris (V).
Pagal idealiųjų dujų dėsnį, linija, prasidedanti nuo skaičiaus 1, turi baigtis ties skaičiumi 1. Taip pat linija, prasidedanti nuo skaičiaus 2, turi baigtis ties skaičiumi 2. Tikrųjų dujų patiriama realybė neatitinka idealiųjų dujų dėsnio prognozės. Kai dujų slėgis yra pakankamai didelis, dujų tūris sumažėja ir nukrypsta nuo idealiųjų dujų dėsnio prognozės (palyginkite su 1 ir 2 kreivėmis). Dujų tūrio nuokrypio dydis taip pat priklauso nuo temperatūros. Jei dujų temperatūra yra žemesnė ir artėja prie lydymosi temperatūros, t. y. virimo temperatūros (b taškas), dujų tūrio nuokrypis paprastai yra didesnis nei esant aukštesnei temperatūrai (palyginkite 1, 2, 3 ir 4 kreives). Tam įtakos turi traukos jėga tarp dujų molekulių, kaip paaiškinta anksčiau.
Aukščiau pateiktoje diagramoje 3 kreivė rodo medžiagos elgseną kritinėje temperatūroje. Taškas c, per kurį eina trečioji kreivė, vadinamas kritiniu tašku. Esant aukštesnei nei kritinė temperatūrai, dujų būsena negali pasikeisti į skystąją, net ir veikiant dideliam slėgiui (palyginkite su 2 ir 1 kreivėmis). Dėl susidariusio slėgio dujų tūris tik sumažėja, bet jos negali paversti skysčiu. Ir atvirkščiai, esant žemesnei nei kritinė temperatūrai, dujos, esant absoliučiam slėgiui, pasikeis į skystį (palyginkite su 3 kreive). Slėgio kiekis, galintis paversti dujas skysčiu kritinėje temperatūroje, vadinamas kritiniu slėgiu. Kiekviena medžiaga turi skirtingą kritinę temperatūrą ir kritinį slėgį.
Aukščiau pateiktoje diagramoje 4 kreivė rodo dujų virsmo į skystį procesą. Užtamsinta sritis (primenanti kalną) yra sritis, kurioje dujos ir skystis yra pusiausvyroje. Iš pradžių dujų tūris yra didelis. Padidėjus dujų slėgiui, dujų tūris mažėja, kol pasiekia tašką b (taškas b yra lydymosi temperatūra, kitaip tariant, virimo temperatūra). Pasiekusios tašką b, dujos pradeda virsti skysčiu. Dujoms virstant skysčiu (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, medžiagos slėgio padidinimas lemia tik minimalų tūrio pokytį (pažymėta labai stačia kreive).
Kasdieniame gyvenime dažnai vartojame terminus garas ir dujos. Pavyzdžiui, vandens garai arba azoto dujos. Mes beveik niekada nevadiname vandens garais vandens dujomis, nors vandens garai yra vandens dujos. Panašiai ir su azotu, deguonimi ir kt. Azotas arba deguonis dažniausiai vadinami dujomis. Dujos ir garai turi skirtingas reikšmes. Jei medžiagos dujų temperatūra yra žemesnė už kritinę, vadiname jas garais. Ir atvirkščiai, jei medžiagos dujų temperatūra yra aukštesnė už kritinę, vadiname jas dujomis.
Slėgio ir temperatūros diagrama (fazės diagrama)
Anksčiau medžiagų elgsena buvo aprašyta naudojant slėgio ir tūrio diagramą. Be PV diagramos, medžiagų elgsena gali būti paaiškinta naudojant slėgio (P) ir temperatūros (T) diagramą. PT diagramos dažniausiai vadinamos fazių diagramomis. Vadinamos fazių diagrama, nes ši diagrama naudojama medžiagos fazėms palyginti. Viena iš medžiagų, kuri dažnai keičia fazę, yra vanduo.
Diagramoje yra trys kreivės: garavimo kreivės, lydymosi kreivės ir sublimacijos kreivės.
Garavimo kreivė rodo taškus, kuriuose skystis ir garai yra pusiausvyroje. Taškas, kuriame skystis ir garai yra pusiausvyroje, vadinamas lydymosi temperatūra, dar kitaip žinoma kaip virimo temperatūra (vadinama lydymosi temperatūra, nes šiame taške garai gali ištirpti ir virsti vandeniu. Virimo temperatūra vadinama, 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, arba kuo didesnis slėgis, tuo aukštesnė vandens virimo temperatūra. Esant 1 atmosferos slėgiui, vandens virimo temperatūra yra 100 ° C. Ir atvirkščiai, esant 218 atmosferos slėgiui, vandens virimo temperatūra = 374 ° C.
218 atm slėgis taip pat vadinamas kritiniu vandens slėgiu, o 374 ° C temperatūra – kritine vandens temperatūra. Jei garų temperatūra yra žemesnė nei 374 ° C, garas gali pakeisti savo fazę į skystį, jei jam suteikiamas 374 ° C slėgis. Slėgis negali paversti garo skysčiu, jei temperatūra yra aukštesnė nei 218 ° C.
Lydymosi kreivė rodo taškus, kuriuose skystis ir kietoji medžiaga yra pusiausvyroje. Taškas, kuriame skystis ir kietoji medžiaga yra pusiausvyroje, vadinamas lydymosi arba užšalimo temperatūra (vadinama lydymosi temperatūra, nes šiame taške ledas gali ištirpti į vandenį. Vadinama užšalimo temperatūra, nes šiame taške vanduo gali užšalti į ledą). Taigi, lydymosi kreivė yra grafikas, rodantis slėgio (P) ir lydymosi temperatūros arba užšalimo temperatūros santykį. Esant 1 atm slėgiui, vandens užšalimo temperatūra (arba ledo lydymosi temperatūra) = 0 ° C. Priešingai nei 218 atm slėgis, vandens užšalimo temperatūra (arba ledo lydymosi temperatūra) yra mažesnė nei 0 ° C. Atkreipkite dėmesį, kad esant 1 atm slėgiui, vanduo yra skystoje būsenoje, jei temperatūra yra nuo 0 °C iki 100 ° C. Vanduo yra kietojoje medžiagoje, jei esant 1 atm slėgiui temperatūra yra žemesnė nei 0 ° C, arba vanduo yra garuose, jei esant 1 atm slėgiui temperatūra viršija 100 ° C.
Sublimacijos kreivė rodo taškus, kuriuose kietoji medžiaga ir garai yra pusiausvyroje 
Pusiausvyra vadinama sublimacijos tašku. Taigi, sublimacijos kreivė yra grafikas, rodantis slėgio (P) ir sublimacijos taško temperatūros santykį. Sublimacija yra kietos medžiagos pavertimas garais, nepraeinant pro skystį. Paprastai sublimacija vyksta tik esant žemam slėgiui. Ledas gali sublimuotis tik tada, kai temperatūra yra mažesnė nei 0.01. oC, o slėgis yra mažesnis nei 0.006 atm. Taškas, kuriame susikerta trys kreivės, vadinamas trigubu tašku.
Žemiau pateikta anglies dioksido fazių diagrama. Atkreipkite dėmesį, kad vandens fazių diagramos ir anglies dioksido fazių diagramos skalė nėra tiesinė.
