Изменения состояния материала. Критическая температура. Тройная точка.
В ходе обсуждения закона идеального газа было объяснено, что закон идеального газа точно описывает поведение реального газа только тогда, когда давление и плотность реального газа не слишком высоки. Если давление и плотность реального газа достаточно велики, закон идеального газа дает неточные результаты. Это также верно, когда температура реального газа приближается к точке кипения.
Это связано с взаимодействиями, происходящими между молекулами реального газа. Давление газа обратно пропорционально его объему. Когда давление газа достаточно высокое, объем газа уменьшается. Поскольку объем газа мал, расстояние между молекулами газа сокращается. Когда расстояние между молекулами становится меньше, молекулы притягиваются друг к другу. Это похоже на ситуацию, когда вы подносите кусок железа к магниту. Если расстояние между магнитом и железом достаточно велико, магнит не может притянуть железо. Но если расстояние между магнитом и железом мало, железо притягивается ближе.
Таким образом, молекулы газа ведут себя подобно магнитам и железу на приведенной выше иллюстрации… Когда расстояние между молекулами достаточно мало, молекулы притягиваются друг к другу. Наличие сил притяжения приводит к уменьшению расстояния между молекулами (уменьшению объема газа). Обычно это происходит при достаточно высоком давлении газа (высокое давление, малый объем; малый объем, расстояние между молекулами уменьшается). Поэтому закон идеального газа не дает точных результатов, когда давление и плотность реального газа достаточно велики.
Диаграмма зависимости давления от объема
Для лучшего понимания вышеописанной проблемы рассмотрим диаграмму, показывающую зависимость давления от объема газа. Кривые 1, 2, 3 и 4 показывают поведение одного и того же газа при разных температурах. Температура газа, показанного на кривой 1, выше, чем на кривой 2. Температура газа, показанного на кривой 2, выше, чем на кривой 3. Температура газа, показанного на кривой 3, выше, чем на кривой 4. Кривая представляет собой наклонную линию посередине диаграммы. Температура газа всегда остается постоянной, изменяются только давление (P) и объем (V) газа.
Согласно закону идеального газа, линия, начинающаяся с 1, должна заканчиваться на 1. Аналогично, линия, начинающаяся с 2, должна заканчиваться на 2. Реальные газы не соответствуют предсказаниям закона идеального газа. При достаточно высоком давлении газа его объем уменьшается и отклоняется от предсказаний закона идеального газа (сравните кривые 1 и 2). Величина отклонения объема газа также зависит от температуры. Если температура газа ниже и близка к точке плавления, также известной как точка кипения (точка b), газ обычно испытывает большее отклонение объема по сравнению с ситуацией, когда температура выше (сравните кривые 1, 2, 3 и 4). На это влияют силы притяжения между молекулами газа, как объяснялось ранее.
На диаграмме выше кривая 3 показывает поведение вещества при его критической температуре. Точка c, через которую проходит кривая 3, называется критической точкой. При температурах выше критической газ не может перейти в жидкость даже при очень высоком давлении (сравните с кривыми 2 и 1). Приложенное давление только уменьшает объем газа, но не может превратить его в жидкость. И наоборот, при температурах ниже критической газ перейдет в жидкость при приложении определенного давления (сравните с кривой 3). Величина давления, которая может превратить газ в жидкость при критической температуре, называется критическим давлением. Каждое вещество имеет свою критическую температуру и критическое давление.
На диаграмме выше, на кривой 4, показан процесс перехода из газообразного состояния в жидкое. Заштрихованная область (напоминающая гору) — это область, где газовая и жидкая фазы находятся в равновесии. Первоначально объем газа довольно велик. После увеличения давления газа его объем уменьшается до точки b (точка b — это точка плавления, также известная как точка кипения). Достигнув точки b, газ начинает переходить в жидкость. В процессе перехода из газообразного состояния в жидкое (из точки b в точку a) объем вещества уменьшается, несмотря на отсутствие увеличения давления (отмечено прямой линией). В точке a весь газ перешел в жидкость. После достижения точки a увеличение давления на вещество приводит лишь к очень небольшому изменению объема (отмечено очень крутым наклоном кривой).
В повседневной жизни мы часто используем термины «пар» и «газ». Например, водяной пар или азот. Мы почти никогда не называем водяной пар «водяным газом», хотя водяной пар на самом деле является газообразной формой воды. То же самое относится к азоту, кислороду и т. д. Азот или кислород обычно называют газами. Газ и пар имеют разные значения. Если газообразное состояние вещества находится ниже критической температуры этого вещества, то мы называем его паром. И наоборот, если газообразное состояние вещества находится выше критической температуры этого вещества, то мы называем его газом.
Диаграмма зависимости давления от температуры (фазовая диаграмма)
Ранее мы объясняли поведение веществ с помощью диаграммы «Давление — Объем». Помимо диаграммы «Давление — Объем» (PV-диаграмма), поведение веществ можно объяснить с помощью диаграммы «Давление (P) — Температура (T)». PT-диаграмма обычно называется фазовой диаграммой. Она называется фазовой диаграммой, потому что используется для сравнения фаз, или состояний, вещества. Одним из веществ, часто претерпевающих изменения состояния, является вода.
На диаграмме изображены три кривые: кривая испарения, кривая плавления и кривая сублимации.
Кривая испарения показывает точки, где жидкость и пар находятся в равновесии. Точка, где жидкость и пар находятся в равновесии, называется температурой плавления или кипения (она называется температурой плавления, потому что в этой точке пар может расплавиться и превратиться в воду; она называется температурой кипения, потому что в этой точке вода может закипеть и превратиться в пар). Таким образом, кривая испарения — это график, который показывает зависимость между давлением (P) и температурой кипения/плавления. Оказывается, чем меньше давление, тем ниже температура кипения воды, или чем больше давление, тем выше температура кипения воды. При давлении 1 атм температура кипения воды составляет 100 ° C. И наоборот, при давлении 218 атм температура кипения воды составляет 374 ° C.
Давление 218 атм также известно как критическое давление воды, а температура 374 ° C — как критическая температура воды. Если температура пара ниже 374 ° C, то при давлении 374 ° C пар может перейти в жидкость. Никакое давление не сможет превратить пар в жидкость, если температура выше 218 ° C.
Кривая плавления показывает точки, где жидкое и твердое состояния находятся в равновесии. Точка, где жидкое и твердое состояния находятся в равновесии, называется точкой плавления или точкой замерзания (она называется точкой плавления, потому что в этой точке лед может растаять, превратившись в воду. Она называется точкой замерзания, потому что в этой точке вода может замерзнуть, превратившись в лед). Таким образом, кривая плавления — это фактически график, показывающий зависимость между давлением (P) и температурой точки плавления или точки замерзания. При давлении 1 атм точка замерзания воды (или точка плавления льда) равна 0. oC. И наоборот, при давлении 218 атм точка замерзания воды (или точка плавления льда) меньше 0. oC. Обратите внимание, что при давлении 1 атм вода находится в жидком состоянии, если температура находится в диапазоне от 0 до 100 °C. o100 от С oC. Вода находится в твердом состоянии, если при давлении 1 атм температура ниже 0. oВода находится в состоянии пара при давлении 1 атм, если ее температура превышает 100 °C. oC.
Кривая сублимации показывает точки, где твердое вещество и пар находятся в равновесии. Точка, где твердое вещество и пар находятся в равновесии, называется точкой сублимации. Таким образом, кривая сублимации фактически представляет собой график, показывающий зависимость между давлением (P) и температурой точки сублимации… Сублимация — это процесс превращения твердого состояния в пар, минуя жидкое состояние… Обычно сублимация происходит только при низком давлении. Лед может сублимировать только в том случае, если температура меньше 0,01 ° C и давление меньше 0,006 атм. Точка пересечения трех кривых называется тройной точкой.
Ниже представлена фазовая диаграмма углекислого газа. Обратите внимание, что шкалы на фазовой диаграмме воды и фазовой диаграмме углекислого газа нелинейны.
