Статья об изменениях фазы, критической температуре и тройной точке.
В обсуждении закона идеального газа было объяснено, что закон идеального газа точно описывает поведение реального газа только тогда, когда давление и плотность реального газа не слишком велики. Если давление и плотность реального газа достаточно велики, закон идеального газа дает неточные результаты, аналогично, когда температура реального газа приближается к точке кипения. Это связано с взаимодействиями, происходящими между молекулами реального газа. Давление газа обратно пропорционально объему газа. Когда давление газа достаточно велико, объем газа уменьшается. Поскольку объем газа мал, расстояние между молекулами газа сокращается. Когда расстояние между молекулами сокращается, молекулы притягиваются друг к другу. Это похоже на то, как если бы вы поместили кусок железа на магнит. Если расстояние между магнитом и железом достаточно велико, магнит не может притянуть железо. Но если расстояние между магнитом и железом мало, железо притягивается.
Таким образом, молекулы газа ведут себя как магнит. Когда расстояние между молекулами достаточно мало, они притягиваются друг к другу. Сила притяжения приводит к уменьшению расстояния между молекулами (уменьшению объема газа). Обычно это происходит при достаточно высоком давлении газа (большое давление, малый объем; малый объем, расстояние между молекулами уменьшается). Поэтому закон идеального газа не дает точных результатов при больших давлениях и плотности реального газа.
Диаграмма зависимости давления от объема при давлении.
Для лучшего понимания описанной выше проблемы рассмотрим диаграмму, которая показывает зависимость давления газа от его объема. Кривые 1, 2, 3 и 4 демонстрируют одинаковое поведение газа при разных температурах. Температура газа, показанная на кривой 1, выше, чем на кривой 2. Температура газа, показанная на кривой 2, выше, чем на кривой 3. Температура газа, показанная на кривой 3, выше, чем на кривой 4. Кривая 1 — это косая черта посередине диаграммы. Температура газа всегда постоянна, изменяются только давление (P) и объем (V) газа.
Согласно закону идеального газа, линия, начинающаяся с цифры 1, должна заканчиваться на цифре 1. Аналогично, линия, начинающаяся с цифры 2, должна заканчиваться на цифре 2. Реальное поведение газа не соответствует 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 приближается к точке плавления, или точке кипения (точка b), газ обычно испытывает более значительное отклонение объема, чем при более высокой температуре (сравните кривые 1, 2, 3 и 4). На это влияет наличие притяжения между молекулами газа, как объяснялось ранее.
Кривая 3 на приведенной выше диаграмме показывает поведение вещества при его критической температуре. Точка c, проходящая через кривую 3, называется критической точкой. При температурах выше критической температуры газ не может перейти в жидкое состояние, даже если ему приложено значительное давление (сравните с кривой 2 и кривой 1). Приложенное давление лишь уменьшает объем газа, но не может превратить газ в жидкость. И наоборот, при температурах ниже критической температуры газ перейдет в жидкое состояние, если ему приложить абсолютное давление (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.
Кривая 4 на приведенной выше диаграмме показывает процесс перехода из газа в жидкость. Заштрихованная область (напоминающая гору) — это область, где газ и жидкость находятся в равновесии. Сначала объем газа велик. После увеличения давления газа его объем уменьшается до точки b (точка b — это точка плавления, или точка кипения). Достигнув точки b, газ начинает превращаться в жидкость. В процессе перехода из газа в жидкость (из точки b в точку a) объем вещества уменьшается, несмотря на отсутствие увеличения давления (отмечено прямой линией). В точке a все газы превратились в жидкость. После достижения точки a добавление давления к веществу приводит лишь к минимальному изменению объема (отмечено очень крутой 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 — это газ, образующийся из воды. То же самое относится к азоту, кислороду и т. д. Азот или кислород обычно называют газом. Газ и пар имеют разные значения. Если газ, образующийся из вещества, находится ниже критической температуры этого вещества, то мы называем его паром. И наоборот, если газ, образующийся из вещества, находится выше критической температуры этого вещества, то мы называем его газом.
Диаграмма зависимости давления от температуры (фазовая диаграмма)
Ранее поведение веществ описывалось с помощью диаграммы зависимости давления от объема. Помимо диаграммы зависимости давления от объема (PV-диаграммы), поведение веществ можно объяснить с помощью диаграммы зависимости давления (P) от температуры (T). PT-диаграммы обычно называют фазовыми диаграммами. Они называются фазовыми диаграммами, потому что используются для сравнения фаз вещества. Одним из веществ, часто меняющих фазу, является вода.
На диаграмме изображены три кривые: кривые испарения, кривые плавления и кривые сублимации.
Кривая испарения показывает точки, где жидкость и пар находятся в равновесии. Точка, в которой жидкость и пар находятся в равновесии, называется точкой плавления, или точкой кипения (называется точкой плавления, потому что в этой точке пар может расплавиться и превратиться в воду. Называется точкой кипения, потому что в этой точке вода может закипеть и превратиться в пар). Таким образом, кривая испарения На самом деле это график, демонстрирующий зависимость между давлением (P) и температурой кипения/плавления. По-видимому, чем меньше давление, тем ниже температура кипения воды, или чем выше давление, тем выше температура кипения воды. При давлении 1 атм температура кипения воды составляет 100 °C. oC. Напротив, при давлении 218 атм температура кипения воды равна 374 oC.
Давление 218 атм также называется критическим давлением воды, а температура составляет 374 °C. oC также называется критической температурой воды. Если температура пара меньше 374°C, то температура пара составляет менее 374°C. oВ этом случае пар может перейти в жидкое состояние, если ему приложить давление 374. oC. Давление не может превратить пар в жидкость, если температура выше 218°C. oC.
Кривая плавления показывает точки, где жидкость и твердое вещество находятся в равновесии. Точка, где жидкость и твердое вещество находятся в равновесии, называется точкой плавления или точкой замерзания (называется точкой плавления, потому что в этой точке лед может растаять, превратившись в воду. Называется точкой замерзания, потому что в этой точке вода может замерзнуть, превратившись в лед). Таким образом, кривая плавления — это график, который показывает зависимость между давлением (P) и точкой плавления или температурой замерзания. При давлении 1 атм точка замерзания воды (или точка плавления льда) равна 0. oВ отличие от давления 218 атм, точка замерзания воды (или точка плавления льда) ниже 0. oC. Следует отметить, что при давлении 1 атм вода находится в жидком состоянии, если температура находится в диапазоне от 0 °C до 100 °C. oC. Вода находится в твердом состоянии, если при давлении 1 атм температура меньше 0. oВ паре содержится вода, если при давлении 1 атм температура превышает 100 °C. oC.
Кривая сублимации показывает точки, в которых твердое вещество и пар находятся в равновесии. 
Равновесие называется точкой сублимации. Таким образом, кривая сублимации — это график, который показывает зависимость между давлением (P) и температурой точки сублимации. Сублимация — это процесс превращения твердого вещества в пар без прохождения через жидкость. Обычно сублимация происходит только при низком давлении. Лед может сублимировать только в том случае, если температура ниже 0.01 °C. oC, а давление меньше 0.006 атм. Точка пересечения трех кривых называется тройной точкой.
Ниже представлена фазовая диаграмма углекислого газа. Обратите внимание, что шкала на фазовой диаграмме воды и фазовой диаграмме углекислого газа нелинейны.
