Materiālās izmaiņas kritiskās temperatūras trīskāršajā punktā
Apspriežot ideālās gāzes likumu, tika paskaidrots, ka ideālās gāzes likums precīzi apraksta reālas gāzes uzvedību tikai tad, ja reālās gāzes spiediens un blīvums nav pārāk augsti. Ja reālās gāzes spiediens un blīvums ir pietiekami lieli, ideālās gāzes likums sniedz neprecīzus rezultātus. Tas attiecas arī uz gadījumiem, kad reālās gāzes temperatūra tuvojas tās viršanas temperatūrai.
Tas faktiski ir saistīts ar mijiedarbību, kas notiek starp reālām gāzes molekulām. Gāzes spiediens ir apgriezti proporcionāls gāzes tilpumam. Kad gāzes spiediens ir pietiekami augsts, gāzes tilpums samazinās. Tā kā gāzes tilpums ir mazs, attālums starp gāzes molekulām samazinās. Kad attālums starp molekulām ir mazāks, molekulas pievelk viena otru. Tas ir līdzīgi kā tad, kad dzelzs gabals tiek pievilkts magnētam. Ja attālums starp magnētu un dzelzi ir pietiekami liels, magnēts nevar pievilkt dzelzi. Bet, ja attālums starp magnētu un dzelzi ir mazs, dzelzs tiek pievilkts tuvāk.
Tātad, iepriekš redzamajā ilustrācijā gāzes molekulas uzvedas kā magnēti un dzelzs… Kad attālums starp molekulām ir pietiekami mazs, tās pievelk viena otru. Pievilkšanās spēku klātbūtne izraisa attāluma starp molekulām samazināšanos (gāzes tilpums samazinās). Parasti tas notiek, ja gāzes spiediens ir pietiekami liels (augsts spiediens, mazs tilpums. Mazs tilpums, attālums starp molekulām samazinās). Tāpēc ideālās gāzes likums nedod precīzus rezultātus, ja reālās gāzes spiediens un blīvums ir pietiekami lieli.
Spiediena un tilpuma diagramma
Lai labāk izprastu iepriekš minēto problēmu, apskatīsim diagrammu, kas parāda spiediena un gāzes tilpuma attiecību. 1., 2., 3. un 4. līkne parāda vienas un tās pašas gāzes uzvedību dažādās temperatūrās. 1. līknē parādītās gāzes temperatūra ir augstāka nekā 2. līknē. 2. līknē parādītās gāzes temperatūra ir augstāka nekā 3. līknē. 3. līknē parādītās gāzes temperatūra ir augstāka nekā 4. līknē. Līkne ir slīpa līnija diagrammas vidū. Gāzes temperatūra vienmēr paliek nemainīga, mainās tikai gāzes spiediens (P) un tilpums (V).
Saskaņā ar ideālās gāzes likumu līnijai, kas sākas ar 1, jābeidzas pie 1. Tāpat līnijai, kas sākas ar 2, jābeidzas pie 2. Realitāte, ko piedzīvo reālas gāzes, neatbilst ideālās gāzes likuma prognozēm. Kad gāzes spiediens ir pietiekami augsts, gāzes tilpums samazinās un novirzās no ideālās gāzes likuma prognozēm (salīdziniet 1. un 2. līkni). Gāzes tilpuma novirzes lielums ir atkarīgs arī no temperatūras. Ja gāzes temperatūra ir zemāka un tuvu kušanas temperatūrai, kas pazīstama arī kā viršanas temperatūra (b punkts), gāzei parasti ir lielāka tilpuma novirze salīdzinājumā ar temperatūru, kas ir augstāka (salīdziniet 1., 2., 3. un 4. līkni). To ietekmē pievilkšanās spēki starp gāzes molekulām, kā paskaidrots iepriekš.
Iepriekš redzamajā diagrammā 3. līkne parāda vielas uzvedību tās kritiskajā temperatūrā. Punktu c, caur kuru iet 3. līkne, sauc par kritisko punktu. Temperatūrā, kas ir augstāka par kritisko temperatūru, gāze nevar pārvērsties šķidrumā pat tad, ja tiek pielikts ļoti augsts spiediens (salīdziniet ar 2. un 1. līkni). Pielietotais spiediens tikai samazina gāzes tilpumu, bet nevar to pārvērst šķidrumā. Savukārt temperatūrā, kas ir zemāka par kritisko temperatūru, gāze pārvērtīsies šķidrumā, ja tiek pielikts noteikts spiediens (salīdziniet ar 3. līkni). Spiediena daudzumu, kas var pārvērst gāzi šķidrumā kritiskajā temperatūrā, sauc par kritisko spiedienu. Katrai vielai ir atšķirīga kritiskā temperatūra un kritiskais spiediens.
Iepriekš redzamajā diagrammā 4. līkne parāda pārejas procesu no gāzes uz šķidrumu. Iekrāsotā zona (kas atgādina kalnu) ir zona, kurā gāzes un šķidruma fāzes ir līdzsvarā. Sākotnēji gāzes tilpums ir diezgan liels. Pēc gāzes spiediena palielināšanās gāzes tilpums samazinās, līdz tā sasniedz punktu b (punkts b ir kušanas temperatūra, kas pazīstama arī kā viršanas temperatūra). Kad tā sasniedz punktu b, gāze sāk mainīties šķidrumā. Pārejas procesā no gāzes uz šķidrumu (no punkta b uz punktu a) vielas tilpums samazinās, pat ja spiediens nepalielinās (atzīmēts ar taisnu līniju). Punktā a visa gāze ir pārvērtusies šķidrumā. Pēc punkta a sasniegšanas spiediena palielināšanās uz vielu rada tikai ļoti nelielas tilpuma izmaiņas (atzīmēts ar ļoti stāvu līknes formu).
Ikdienā mēs bieži lietojam terminus tvaiks un gāze. Piemēram, ūdens tvaiks vai slāpekļa gāze. Mēs gandrīz nekad nesaucam ūdens tvaikus par ūdens gāzi, lai gan ūdens tvaiki patiesībā ir ūdens gāzveida forma. Tas pats attiecas uz slāpekli, skābekli utt. Slāpekli vai skābekli parasti sauc par gāzēm. Gāzei un tvaikam ir atšķirīga nozīme. Ja vielas gāzveida stāvoklis ir zem vielas kritiskās temperatūras , tad mēs to saucam par tvaiku. Un otrādi, ja vielas gāzveida stāvoklis ir virs vielas kritiskās temperatūras , tad mēs to saucam par gāzi.
Spiediena un temperatūras diagramma (fāzes diagramma)
Iepriekš mēs izskaidrojām vielu uzvedību, izmantojot spiediena un tilpuma diagrammu. Papildus PV diagrammai vielu uzvedību var izskaidrot, izmantojot spiediena (P) un temperatūras (T) diagrammu. PT diagrammu parasti sauc par fāžu diagrammu. To sauc par fāžu diagrammu, jo to izmanto, lai salīdzinātu vielas fāzes jeb stāvokļus. Viena viela, kas bieži piedzīvo stāvokļa izmaiņas, ir ūdens.
Diagrammā ir trīs līknes: iztvaikošanas līkne, kušanas līkne un sublimācijas līkne.
Iztvaikošanas līkne parāda punktus, kuros šķidrums un tvaiks ir līdzsvarā. Punktu, kurā šķidrums un tvaiks ir līdzsvarā, sauc par kušanas punktu vai viršanas punktu (to sauc par kušanas punktu, jo šajā brīdī tvaiks var izkust un pārvērsties ūdenī. To sauc par viršanas punktu, jo šajā brīdī ūdens var uzvārīties un pārvērsties tvaikā). Tādējādi iztvaikošanas līkne faktiski ir grafiks, kas parāda spiediena (P) un viršanas punkta/kušanas temperatūras attiecību. Šķiet, ka, jo mazāks spiediens, jo zemāka ir ūdens viršanas temperatūra, vai, jo lielāks spiediens, jo augstāka ir ūdens viršanas temperatūra. Pie 1 atm spiediena ūdens viršanas temperatūra = 100 ° C. Un otrādi, pie 218 atm spiediena ūdens viršanas temperatūra = 374 ° C.
218 atm spiedienu sauc arī par ūdens kritisko spiedienu, savukārt 374 ° C temperatūru sauc arī par ūdens kritisko temperatūru. Ja tvaika temperatūra ir zemāka par 374 ° C, tad tvaiks var pārvērsties šķidrumā, ja tam tiek dots 374 ° C spiediens. Nekāds spiediena daudzums nevar pārvērst tvaiku šķidrumā, ja temperatūra ir augstāka par 218 ° C.
Kušanas līkne parāda punktus, kuros šķidrais un cietais stāvoklis atrodas līdzsvarā. Punktu, kurā šķidrais un cietais stāvoklis atrodas līdzsvarā, sauc par kušanas punktu vai sasalšanas punktu (to sauc par kušanas punktu, jo šajā brīdī ledus var izkust ūdenī. To sauc par sasalšanas punktu, jo šajā brīdī ūdens var sasalt ledū). Tādējādi kušanas līkne faktiski ir grafiks, kas parāda spiediena (P) un kušanas punkta vai sasalšanas punkta temperatūras attiecību. Pie 1 atm spiediena ūdens sasalšanas punkts (vai ledus kušanas punkts) = 0. oC. Un otrādi, pie 218 atm spiediena ūdens sasalšanas temperatūra (vai ledus kušanas temperatūra) ir zemāka par 0. oC. Ņemiet vērā, ka 1 atm spiedienā ūdens ir šķidrā stāvoklī, ja temperatūra ir no 0 līdz 10 °C. oC un 100 oC. Ūdens ir cietā stāvoklī, ja spiedienā 1 atm temperatūra ir zemāka par 0 oC jeb ūdens ir tvaika formā, ja spiedienā 1 atm temperatūra ir augstāka par 100 oC.
Sublimācijas līkne parāda punktus, kuros cietā viela un tvaiks atrodas līdzsvarā. Punktu, kurā cietā viela un tvaiks atrodas līdzsvarā, sauc par sublimācijas punktu. Tādējādi sublimācijas līkne faktiski ir grafiks, kas parāda spiediena (P) un sublimācijas punkta temperatūras attiecību… Sublimācija ir process, kurā cietais stāvoklis tiek pārveidots tvaikā, nešķērsojot šķidro stāvokli… Parasti sublimācija notiek tikai zemā spiedienā. Ledus var sublimēties tikai tad, ja temperatūra ir zemāka par 0,01 ° C un spiediens ir mazāks par 0,006 atm. Punktu, kurā trīs līknes krustojas, sauc par trīskāršo punktu.
Zemāk ir redzama oglekļa dioksīda fāžu diagramma. Ņemiet vērā, ka ūdens fāžu diagrammas un oglekļa dioksīda fāžu diagrammas mērogi nav lineāri.
