Artykuł o zmianach fazy Temperatura krytyczna Punkt potrójny
W dyskusji na temat prawa gazu doskonałego wyjaśniono, że prawo gazu doskonałego dokładnie opisuje zachowanie gazu rzeczywistego tylko wtedy, gdy ciśnienie i gęstość gazu rzeczywistego nie są zbyt duże. Jeśli ciśnienie i gęstość gazu rzeczywistego są wystarczająco duże, prawo gazu doskonałego daje niedokładne wyniki, podobnie gdy temperatura gazu rzeczywistego zbliża się do temperatury wrzenia. Jest to związane z oddziaływaniami zachodzącymi między cząsteczkami gazu rzeczywistego. Ciśnienie gazu jest odwrotnie proporcjonalne do objętości gazu. Gdy ciśnienie gazu jest wystarczająco duże, objętość gazu się zmniejsza. Ponieważ objętość gazu jest mała, odległość między cząsteczkami gazu zmniejsza się. Gdy odległość między cząsteczkami zmniejsza się, cząsteczki przyciągają się. To tak, jak gdy umieścisz kawałek żelaza na magnesie. Jeśli odległość między magnesem a żelazem jest wystarczająco duża, magnes nie może przyciągnąć żelaza. Ale jeśli odległość między magnesem a żelazem jest mała, żelazo jest przyciągane bliżej.
Cząsteczki gazu zachowują się więc jak magnes. Gdy odległość między cząsteczkami jest wystarczająco mała, cząsteczki przyciągają się do siebie. Siła przyciągania powoduje, że odległość między cząsteczkami się zmniejsza (objętość gazu maleje). Zwykle dzieje się tak, gdy ciśnienie gazu jest wystarczająco wysokie (duże ciśnienie, mała objętość. Mała objętość, odległość między cząsteczkami się zmniejsza). Dlatego równanie gazu doskonałego nie daje dokładnych wyników, gdy ciśnienie i gęstość gazu rzeczywistego są duże.
Wykres ciśnienia w funkcji ciśnienia i objętości
Aby lepiej zrozumieć powyższy problem, przyjrzyjmy się diagramowi, który przedstawia zależność między ciśnieniem gazu a jego objętością. Krzywe 1, 2, 3 i 4 pokazują to samo zachowanie gazu w różnych temperaturach. Temperatura gazu pokazana na krzywej 1 jest wyższa niż na krzywej 2. Temperatura gazu pokazana na krzywej 2 jest wyższa niż na krzywej 3. Temperatura gazu pokazana na krzywej 3 jest wyższa niż na krzywej 4. Krzywa ta to ukośna kreska pośrodku diagramu. Temperatura gazu jest zawsze stała, co zmienia jedynie jego ciśnienie (P) i objętość (V).
Zgodnie z prawem gazu doskonałego, linia zaczynająca się od liczby 1 musi kończyć się w liczbie 1. Podobnie, linia zaczynająca się od liczby 2 musi kończyć się w liczbie 2. Rzeczywistość doświadczana przez gaz rzeczywisty nie jest prognozowana przez prawo gazu doskonałego. Gdy ciśnienie gazu jest wystarczająco duże, objętość gazu staje się mniejsza i odchyla się od prognozy prawa gazu doskonałego (porównaj z krzywą 1 i krzywą 2). Wielkość odchylenia objętości gazu zależy również od temperatury. Jeśli temperatura gazu jest niższa i zbliża się do temperatury topnienia, czyli temperatury wrzenia (punkt b), gaz zwykle doświadcza bardziej znaczącego odchylenia objętości niż w przypadku wyższej temperatury (porównaj krzywe 1, 2, 3 i 4). Wpływ na obecność przyciągania między cząsteczkami gazu, jak wyjaśniono wcześniej.
Krzywa 3 na powyższym diagramie przedstawia zachowanie substancji w jej temperaturze krytycznej. Punkt c, który wyznacza krzywa 3, nazywany jest punktem krytycznym. W temperaturach wyższych od temperatury krytycznej gaz nie może przejść w stan ciekły, nawet jeśli zostanie poddany znacznemu ciśnieniu (porównaj z krzywą 2 i krzywą 1). Podane ciśnienie jedynie zmniejsza objętość gazu, ale nie może przekształcić go w ciecz. I odwrotnie, w temperaturach niższych od temperatury krytycznej gaz przejdzie w ciecz, jeśli zostanie mu podane ciśnienie bezwzględne (porównaj z krzywą 3). Wartość ciśnienia, która może przekształcić gaz w ciecz w temperaturze krytycznej, jest znana jako ciśnienie krytyczne. Każda substancja ma inną temperaturę krytyczną i ciśnienie krytyczne.
Krzywa 4 na powyższym diagramie przedstawia proces przejścia z gazu w ciecz. Zacieniowany obszar (przypominający górę) to obszar, w którym gaz i ciecz znajdują się w równowadze. Początkowo objętość gazu jest duża. Wraz ze wzrostem ciśnienia gazu, objętość gazu maleje, aż do momentu osiągnięcia punktu b (punkt b to temperatura topnienia, znana również jako temperatura wrzenia). Po dotarciu do punktu b gaz zaczyna zamieniać się w ciecz. Podczas procesu przekształcania gazu w ciecz (z punktu b do punktu a) objętość substancji zmniejsza się, mimo że nie następuje wzrost ciśnienia (oznaczone linią prostą). W punkcie a wszystkie gazy zamieniły się w ciecz. Po dotarciu do punktu a dodanie ciśnienia do substancji powoduje jedynie minimalną zmianę objętości (oznaczoną bardzo stromą krzywą).
W życiu codziennym często używamy terminów para wodna i gaz. Na przykład para wodna lub azot. Rzadko kiedy nazywamy parę wodną gazem wodnym, mimo że para wodna jest gazem pochodzącym z wody. Podobnie jest z azotem, tlenem itp. Azot lub tlen są powszechnie nazywane gazem. Gaz i para wodna mają różne znaczenia. Jeśli gaz z substancji ma temperaturę niższą od temperatury krytycznej materiału, nazywamy go parą wodną. I odwrotnie, jeśli gaz z substancji ma temperaturę wyższą od temperatury krytycznej, nazywamy go gazem.
Wykres ciśnienia w funkcji temperatury (diagram fazowy)
Wcześniej opisano zachowanie substancji za pomocą diagramu ciśnienia w funkcji objętości. Oprócz diagramu PV, zachowanie substancji można wyjaśnić za pomocą diagramu ciśnienia (P) w funkcji temperatury (T). Diagramy PT są powszechnie nazywane diagramami fazowymi. Nazywane są diagramami fazowymi, ponieważ służą do porównywania faz substancji. Jedną z substancji, która często zmienia fazę, jest woda.
Na diagramie znajdują się trzy krzywe: krzywe parowania, krzywe topnienia i krzywe sublimacji.
Krzywa parowania pokazuje punkty, w których ciecz i para znajdują się w równowadze. Punkt, w którym ciecz i para znajdują się w równowadze, nazywa się temperaturą topnienia, znaną również jako temperatura wrzenia (nazywana temperaturą topnienia, ponieważ w tym punkcie para może się stopić i zamienić w wodę. Nazywana temperaturą wrzenia, ponieważ w tym punkcie woda może się zagotować i zamienić w parę). Tak więc krzywa parowania jest w rzeczywistości wykresem, który przedstawia zależność między ciśnieniem (P) a temperaturą wrzenia / topnienia. Wydaje się, że im niższe ciśnienie, tym niższa temperatura wrzenia wody lub im wyższe ciśnienie, tym wyższa temperatura wrzenia wody. Przy ciśnieniu 1 atm temperatura wrzenia wody wynosi 100 o C. Odwrotnie, przy ciśnieniu 218 atm temperatura wrzenia wody = 374 o C.
Ciśnienie 218 atm nazywane jest również ciśnieniem krytycznym wody, a temperatura 374 ° C – temperaturą krytyczną wody. Jeśli temperatura pary jest niższa niż 374 ° C, para może przejść w stan ciekły, jeśli zostanie poddana ciśnieniu 374 ° C. Ciśnienie nie może przekształcić pary w ciecz, jeśli temperatura jest wyższa niż 218 ° C.
Krzywa topnienia pokazuje punkty równowagi między cieczą a ciałem stałym. Punkt, w którym ciecz i ciało stałe znajdują się w równowadze, nazywany jest temperaturą topnienia lub temperaturą zamarzania (nazywaną temperaturą topnienia, ponieważ w tym punkcie lód może stopić się w wodę. Nazywaną temperaturą zamarzania, ponieważ w tym punkcie woda może zamarznąć w lód). Zatem krzywa topnienia to wykres przedstawiający zależność między ciśnieniem (P) a temperaturą topnienia lub temperaturą zamarzania. Przy ciśnieniu 1 atm, temperatura zamarzania wody (lub temperatura topnienia lodu) wynosi 0 o C. W przeciwieństwie do ciśnienia 218 atm, temperatura zamarzania wody (lub temperatura topnienia lodu) jest niższa niż 0 o C. Należy zauważyć, że przy ciśnieniu 1 atm woda jest w stanie ciekłym, jeżeli temperatura wynosi od 0 o C do 100 o C. Woda jest w stanie stałym, jeżeli przy ciśnieniu 1 atm temperatura jest niższa niż 0 o C lub woda jest w parze, jeżeli przy ciśnieniu 1 atm temperatura przekracza 100 o C.
Krzywa sublimacji pokazuje punkty, w których ciało stałe i para znajdują się w równowadze 
Równowaga nazywana jest punktem sublimacji. Zatem krzywa sublimacji to wykres przedstawiający zależność między ciśnieniem (P) a temperaturą punktu sublimacji. Sublimacja to proces przekształcania ciała stałego w parę wodną bez przechodzenia przez ciecz. Zazwyczaj sublimacja zachodzi tylko przy niskim ciśnieniu. Lód może sublimować tylko wtedy, gdy temperatura jest niższa niż 0.01. oC, a ciśnienie jest mniejsze niż 0.006 atm. Punkt, w którym przecinają się trzy krzywe, nazywa się punktem potrójnym.
Poniżej znajduje się diagram fazowy dwutlenku węgla. Należy pamiętać, że skala na diagramie fazy wodnej i diagramie fazy dwutlenku węgla nie jest liniowa.
