Articol despre schimbările de fază Temperatura critică Punctul triplu
În discuția despre legea gazelor ideale, s-a explicat că legea gazelor ideale descrie comportamentul gazului real cu acuratețe numai atunci când presiunea și densitatea gazului real nu sunt prea mari. Dacă presiunea și densitatea gazului real sunt suficient de mari, legea gazelor ideale oferă rezultate inexacte, la fel și atunci când temperatura gazului real se apropie de punctul de fierbere. Acest lucru este legat de interacțiunile care au loc între moleculele de gaz real. Presiunea gazului este invers proporțională cu volumul gazului. Când presiunea gazului este suficient de mare, volumul gazului devine mai mic. Deoarece volumul gazului este mic, distanța dintre moleculele de gaz devine mai mică. Când distanța dintre molecule devine mai mică, moleculele se atrag reciproc. Este ca atunci când pui o bucată de fier pe un magnet. Dacă distanța dintre magnet și fier este suficient de mare, magnetul nu poate trage fierul. Dar dacă distanța dintre magnet și fier este mică, fierul este atras mai aproape.
Deci moleculele de gaz se comportă ca un magnet. Când distanța dintre molecule este suficient de mică, moleculele se trag una de cealaltă. Forța de tracțiune face ca distanța dintre molecule să se apropie (volumul gazului devine mai mic). De obicei, acest lucru se întâmplă atunci când presiunea gazului este suficient de mare (presiune mare, volum mic. Volum mic, distanța dintre molecule se apropie). Prin urmare, legea gazelor ideale nu oferă rezultate precise atunci când presiunea și densitatea gazului real sunt mari.
Diagrama presiunii vs. volumului presiunii
Pentru a înțelege mai bine problema de mai sus, să analizăm diagrama, care prezintă relația dintre presiunea și volumul gazului. Curbele 1, 2, 3 și 4 prezintă același comportament al gazului la temperaturi diferite. Temperatura gazului prezentată în curba 1 este mai mare decât curba 2. Temperatura gazului prezentată în curba 2 este mai mare decât curba 3. Temperatura gazului prezentată în curba 3 este mai mare decât curba 4. Curba reprezintă bara oblică din mijlocul diagramei. Temperatura gazului este întotdeauna fixă, ceea ce modifică doar presiunea (P) și volumul (V) gazului.
Conform legii gazelor ideale, linia care începe de la numărul 1 trebuie să se termine în numărul 1. În mod similar, linia care începe de la numărul 2 trebuie să se oprească la numărul 2. Realitatea experimentată de gazul real nu este conform prevederilor legii gazelor ideale. Când presiunea gazului este suficient de mare, volumul gazului devine mai mic și se abate de la prevederile legii gazelor ideale (comparați cu curba 1 și curba 2). Mărimea abaterii volumului gazului depinde și de temperatură. Dacă temperatura gazului este mai scăzută și se apropie de punctul de topire, adică de punctul de fierbere (punctul b), gazul prezintă de obicei o abatere de volum mai semnificativă decât atunci când temperatura este mai mare (comparați curbele 1, 2, 3 și 4). Aceasta este influențată de prezența atracției dintre moleculele de gaz, așa cum s-a explicat anterior.
Curba 3 din diagrama de mai sus arată comportamentul unei substanțe la temperatura sa critică. Punctul c prin care trece curba trei se numește punct critic. La temperaturi mai mari decât temperatura critică, forma gazului nu se poate transforma în stare lichidă, chiar dacă i se aplică o presiune considerabilă (comparați cu curba 2 și curba 1). Presiunea dată doar reduce volumul gazului, dar nu poate transforma gazul în lichid. În schimb, la temperaturi mai mici decât temperatura critică, gazul se va transforma în lichid dacă i se aplică o presiune absolută (comparați cu curba 3). Cantitatea de presiune care poate transforma gazul în lichid la o temperatură critică este cunoscută sub numele de presiune critică. Fiecare substanță are o temperatură critică și o presiune critică diferite.
Curba 4 din diagrama de mai sus arată procesul de trecere de la gaz la lichid. Zona umbrită (asemănătoare unui munte) este o zonă în care gazul și lichidul sunt în echilibru. La început, volumul gazului este mare. După ce presiunea gazului crește, volumul gazului devine mai mic până când ajunge la punctul b (punctul b este punctul de topire, adică punctul de fierbere). Când ajunge la punctul b, gazul începe să se transforme în lichid. În timpul procesului de trecere a gazului la lichid (de la punctul b la punctul a), volumul substanței devine mai mic, chiar dacă nu există o creștere a presiunii (marcat cu o linie dreaptă). În punctul a, toate gazele s-au transformat în lichid. După ajungerea la punctul a, adăugarea de presiune asupra substanței are ca rezultat doar o modificare minimă a volumului (marcată de o curbă foarte abruptă).
În viața de zi cu zi, folosim adesea termenii abur și gaz. De exemplu, vapori de apă sau azot gazos. Rareori ne referim la vaporii de apă ca gaz de apă, chiar dacă vaporii de apă sunt gaze din apă. La fel și în cazul azotului, oxigenului etc. Azotul sau oxigenul este denumit în mod obișnuit gaz. Gazul și aburul au semnificații diferite. Dacă gazul dintr-o substanță este sub temperatura critică a materialului, atunci îl numim abur. Invers, dacă gazul dintr-o substanță este peste temperatura critică a substanței, atunci o numim gaz.
Diagrama presiunii în funcție de temperatură (diagrama fazelor)
Anterior, s-a descris comportamentul substanțelor folosind o diagramă a presiunii în funcție de volum. Pe lângă utilizarea diagramei PV, comportamentul substanțelor poate fi explicat folosind diagrama presiunii (P) în funcție de temperatură (T). Diagramele PT sunt denumite în mod obișnuit diagrame de fază. Sunt numite diagrame de fază deoarece această diagramă este utilizată pentru a compara fazele unei substanțe. Una dintre substanțele care își schimbă adesea faza este apa.
Pe diagramă există trei curbe, și anume curbele de evaporare, curbele de topire și curbele de sublimare.
Curba de evaporare arată punctele în care lichidul și vaporii sunt în echilibru. Punctul în care lichidul și vaporii se formează în echilibru se numește punct de topire, adică punct de fierbere (numit punct de topire deoarece în acest moment aburul se poate topi și transforma în apă). Astfel, curba de evaporare este de fapt un grafic care indică relația dintre presiune (P) și punctul de fierbere/temperatura de topire. Se pare că, cu cât presiunea este mai mică, cu atât temperatura punctului de fierbere a apei este mai scăzută sau, cu cât presiunea este mai mare, cu atât temperatura punctului de fierbere a apei este mai mare. La o presiune de 1 atm, temperatura punctului de fierbere a apei este de 100 ° C. Invers, la o presiune de 218 atm, temperatura punctului de fierbere a apei este de 374 ° C.
Presiunea de 218 atm este numită și presiunea critică a apei, în timp ce temperatura de 374 ° C este numită și temperatura critică a apei. Dacă temperatura vaporilor este mai mică de 374 ° C, atunci aburul își poate schimba faza în lichid dacă i se aplică o presiune de 374 ° C. Presiunea nu poate transforma aburul în lichid dacă temperatura este mai mare de 218 ° C.
Curba de topire arată punctele în care lichidul și solidul sunt în echilibru. Punctul în care lichidul și solidul sunt în echilibru se numește punct de topire sau punct de îngheț (numit punct de topire deoarece în acest punct gheața se poate topi în apă). Astfel, curba de topire este un grafic care indică relația dintre presiune (P) și punctul de topire sau temperatura de îngheț. La o presiune de 1 atm, punctul de îngheț al apei (sau punctul de topire al gheții) = 0 ° C. Spre deosebire de presiunea de 218 atm, punctul de îngheț al apei (sau punctul de topire al gheții) este mai mic de 0 ° C. Rețineți că la o presiune de 1 atm, apa este în lichid dacă temperatura este între 0 °C și 100 ° C. Apa este în solid dacă, la o presiune de 1 atm, temperatura este mai mică de 0 ° C sau apa este în abur dacă, la o presiune de 1 atm, temperatura depășește 100 ° C.
Curba de sublimare arată punctele în care solidul și vaporii sunt în echilibru 
Echilibrul se numește punct de sublimare. Astfel, curba de sublimare este un grafic care indică relația dintre presiunea (P) și temperatura punctului de sublimare. Sublimarea este procesul de transformare a solidului în abur, fără a trece printr-un lichid. De obicei, sublimarea are loc doar la presiune scăzută. Gheața se poate sublima doar dacă temperatura este mai mică de 0.01 oC, iar presiunea este mai mică de 0.006 atm. Punctul în care cele trei curbe se intersectează se numește punct triplu.
Mai jos este o diagramă de fază pentru dioxidul de carbon. Rețineți că scara de pe diagrama de fază a apei și diagrama de fază a dioxidului de carbon nu este liniară.
