Artikel over faseovergangen, kritische temperatuur en drievoudig punt.
In de bespreking van de ideale gaswet is uitgelegd dat deze wet het gedrag van een reëel gas alleen nauwkeurig beschrijft wanneer de druk en dichtheid van het gas niet te groot zijn. Als de druk en dichtheid van het gas groot genoeg zijn, geeft de ideale gaswet onnauwkeurige resultaten, evenals wanneer de temperatuur van het gas het kookpunt nadert. Dit heeft te maken met de interacties tussen de gasmoleculen. De gasdruk is omgekeerd evenredig met het gasvolume. Wanneer de gasdruk groot genoeg is, wordt het gasvolume kleiner. Omdat het gasvolume klein is, wordt de afstand tussen de gasmoleculen kleiner. Wanneer de afstand tussen de moleculen kleiner wordt, trekken de moleculen elkaar aan. Het is vergelijkbaar met een stuk ijzer op een magneet. Als de afstand tussen de magneet en het ijzer groot genoeg is, kan de magneet het ijzer niet aantrekken. Maar als de afstand tussen de magneet en het ijzer klein is, wordt het ijzer aangetrokken.
Gasmoleculen gedragen zich dus als een magneet. Wanneer de afstand tussen moleculen klein genoeg is, trekken de moleculen elkaar aan. Door deze aantrekkingskracht neemt de afstand tussen de moleculen af (het gasvolume wordt kleiner). Dit gebeurt meestal wanneer de gasdruk hoog genoeg is (hoge druk, laag volume; klein volume, de afstand tussen de moleculen neemt af). Daarom geeft de ideale gaswet geen nauwkeurige resultaten wanneer de druk en dichtheid van een reëel gas groot zijn.
Diagram van druk versus drukvolume
Om het bovenstaande probleem beter te begrijpen, bekijken we het diagram dat de relatie tussen gasdruk en volume weergeeft. De curven 1, 2, 3 en 4 tonen hetzelfde gasgedrag bij verschillende temperaturen. De gastemperatuur in curve 1 is hoger dan in curve 2. De gastemperatuur in curve 2 is hoger dan in curve 3. De gastemperatuur in curve 3 is hoger dan in curve 4. De schuine streep in het midden van het diagram geeft de curve weer. De gastemperatuur is altijd constant, waardoor alleen de druk (P) en het volume (V) van het gas veranderen.
Volgens de ideale gaswet moet de lijn die begint bij punt 1 eindigen bij punt 1. Evenzo moet de lijn die begint bij punt 2 eindigen bij punt 2. De realiteit van een echt gas wijkt echter af van de voorspelling van de ideale gaswet. Wanneer de gasdruk hoog genoeg is, wordt het gasvolume kleiner en wijkt het af van de voorspelling van de ideale gaswet (vergelijk curve 1 en curve 2). De mate van volumeverandering is ook afhankelijk van de temperatuur. Als de temperatuur van het gas lager is en het smeltpunt, oftewel het kookpunt (punt b), nadert, is de volumeverandering doorgaans groter dan bij een hogere temperatuur (vergelijk curve 1, 2, 3 en 4). Dit wordt beïnvloed door de aantrekkingskracht tussen de gasmoleculen, zoals eerder uitgelegd.
De curve 3 in het bovenstaande diagram toont het gedrag van een stof bij zijn kritische temperatuur. Het punt c waar de curve 3 doorheen loopt, wordt het kritische punt genoemd. Bij temperaturen hoger dan de kritische temperatuur kan de gasvorm niet overgaan in een vloeibare vorm, zelfs niet onder aanzienlijke druk (vergelijk met curve 2 en curve 1). De druk zorgt er alleen voor dat het gasvolume kleiner wordt, maar kan het gas niet omzetten in vloeistof. Omgekeerd zal het gas bij temperaturen lager dan de kritische temperatuur wel in vloeistof overgaan onder absolute druk (vergelijk met curve 3). De hoeveelheid druk die nodig is om het gas bij een kritische temperatuur in vloeistof om te zetten, staat bekend als de kritische druk. Elke stof heeft een andere kritische temperatuur en kritische druk.
De curve 4 in het bovenstaande diagram toont het proces van de overgang van gas naar vloeistof. Het gearceerde gebied (dat op een berg lijkt) is een gebied waar gas en vloeistof in evenwicht zijn. Aanvankelijk is het gasvolume groot. Nadat de gasdruk is verhoogd, neemt het gasvolume af totdat punt b wordt bereikt (punt b is het smeltpunt, ook wel het kookpunt genoemd). Bij punt b begint het gas in vloeistof om te zetten. Tijdens het proces van gas-vloeistofomzetting (van punt b naar punt a) neemt het volume van de stof af, ook al neemt de druk niet toe (aangegeven met een rechte lijn). Bij punt a is al het gas in vloeistof omgezet. Na het bereiken van punt a resulteert het toevoegen van druk aan de stof slechts in een minimale volumeverandering (aangegeven met een zeer steile curve).
In het dagelijks leven gebruiken we vaak de termen stoom en gas. Bijvoorbeeld waterdamp of stikstofgas. We noemen waterdamp bijna nooit watergas, ook al is waterdamp een gas dat uit water ontstaat. Hetzelfde geldt voor stikstof, zuurstof, enzovoort. Stikstof of zuurstof wordt meestal gewoon gas genoemd. Gas en stoom hebben verschillende betekenissen. Als het gas dat uit een stof vrijkomt zich onder de kritische temperatuur van die stof bevindt, noemen we het stoom. Omgekeerd, als het gas dat uit een stof vrijkomt zich boven de kritische temperatuur van die stof bevindt, noemen we het gas.
Diagram van druk versus temperatuur (fasediagram)
Eerder werd het gedrag van stoffen beschreven met behulp van een druk-volumediagram. Naast het PV-diagram kan het gedrag van stoffen ook worden verklaard met behulp van een druk-temperatuurdiagram (P) versus temperatuur (T). PT-diagrammen worden vaak fasediagrammen genoemd. Ze worden fasediagrammen genoemd omdat ze worden gebruikt om de fasen van een stof te vergelijken. Een van de stoffen die vaak van fase verandert, is water.
Op het diagram zijn drie krommen te zien, namelijk verdampingskrommen, smeltkrommen en sublimatiekrommen.
De verdampingscurve toont de punten waar de vloeistof en de damp in evenwicht zijn. Het punt waar de vloeistof en de damp in evenwicht zijn, wordt het smeltpunt genoemd, ook wel het kookpunt (het smeltpunt omdat stoom op dit punt kan smelten en in water kan veranderen. Het kookpunt omdat water op dit punt kan koken en in stoom kan veranderen). De verdampingscurve is dus eigenlijk een grafiek die de relatie tussen druk (P) en kookpunt/smelttemperatuur weergeeft. Het blijkt dat hoe lager de druk, hoe lager de temperatuur van het kookpunt van het water, of hoe hoger de druk, hoe hoger de temperatuur van het kookpunt van het water. Bij een druk van 1 atm is het kookpunt van water 100 ° C. Omgekeerd is het kookpunt van water bij een druk van 218 atm 374 ° C.
Een druk van 218 atm wordt ook wel de kritische druk van water genoemd, net als een temperatuur van 374 ° C. Als de temperatuur van de damp lager is dan 374 ° C, kan stoom van fase veranderen naar vloeistof als er een druk van 374 ° C op wordt uitgeoefend. Druk kan stoom niet in vloeistof veranderen als de temperatuur hoger is dan 218 ° C.
De smeltcurve toont de punten waar de vloeistof en de vaste stof in evenwicht zijn. Het punt waar vloeistof en vaste stof in evenwicht zijn, wordt het smeltpunt of vriespunt genoemd (smeltpunt omdat ijs op dit punt kan smelten tot water. Vriespunt omdat water op dit punt kan bevriezen tot ijs). De smeltcurve is dus een grafiek die de relatie weergeeft tussen druk (P) en smeltpunt of vriestemperatuur. Bij een druk van 1 atm is het vriespunt van water (of het smeltpunt van ijs) gelijk aan 0 ° C. In tegenstelling tot een druk van 218 atm is het vriespunt van water (of het smeltpunt van ijs) lager dan 0 ° C. Merk op dat bij een druk van 1 atm water vloeibaar is als de temperatuur tussen 0 °C en 100 ° C ligt. Water is vast als de temperatuur bij een druk van 1 atm lager is dan 0 ° C, of water is damp als de temperatuur bij een druk van 1 atm hoger is dan 100 ° C.
De sublimatiecurve toont de punten waar vaste stof en gas in evenwicht zijn. 
Het evenwichtspunt wordt het sublimatiepunt genoemd. De sublimatiecurve is dus een grafiek die de relatie weergeeft tussen de druk (P) en de temperatuur van het sublimatiepunt. Sublimatie is het proces waarbij een vaste stof in stoom verandert, zonder eerst een vloeibare fase te doorlopen. Sublimatie vindt meestal alleen plaats bij lage druk. IJs kan alleen sublimeren als de temperatuur lager is dan 0.01 °C. oC en de druk is minder dan 0.006 atm. Het punt waar de drie krommen elkaar snijden, wordt het drievoudig punt genoemd.
Hieronder staat een fasediagram voor koolstofdioxide. Merk op dat de schaal in het fasediagram van water en het fasediagram van koolstofdioxide niet lineair is.
