Spremembe materiala v stanju kritične temperature trojne točke
V razpravi o zakonu idealnega plina je bilo pojasnjeno, da zakon idealnega plina natančno opisuje obnašanje realnega plina le, če tlak in gostota realnega plina nista previsoka. Če sta tlak in gostota realnega plina dovolj velika, zakon idealnega plina daje netočne rezultate. To velja tudi, ko se temperatura realnega plina približa vrelišču.
To je pravzaprav povezano z interakcijami, ki se pojavljajo med realnimi molekulami plina. Tlak plina je obratno sorazmeren z volumnom plina. Ko je tlak plina dovolj visok, se volumen plina zmanjša. Ker je volumen plina majhen, se razdalja med molekulami plina zmanjša. Ko je razdalja med molekulami manjša, se molekule privlačijo. Podobno je, kot če bi kos železa približali magnetu. Če je razdalja med magnetom in železom dovolj velika, magnet ne more pritegniti železa. Če pa je razdalja med magnetom in železom majhna, se železo potegne bližje.
Torej se molekule plina na zgornji ilustraciji obnašajo kot magneti in železo ... Ko je razdalja med molekulami dovolj majhna, se molekule privlačijo. Prisotnost privlačnih sil povzroči, da se razdalja med molekulami zmanjša (prostornina plina se zmanjša). Običajno se to zgodi, ko je tlak plina dovolj velik (visok tlak, majhna prostornina. Majhna prostornina, razdalja med molekulami se zmanjša). Zato zakon o idealnem plinu ne daje natančnih rezultatov, ko sta tlak in gostota realnega plina dovolj velika.
Diagram tlaka v primerjavi z volumnom
Za boljše razumevanje zgornjega problema si oglejmo diagram, ki prikazuje razmerje med tlakom in prostornino plina. Krivulje 1, 2, 3 in 4 prikazujejo obnašanje istega plina pri različnih temperaturah. Temperatura plina, prikazana na krivulji 1, je višja od krivulje 2. Temperatura plina, prikazana na krivulji 2, je višja od krivulje 3. Temperatura plina, prikazana na krivulji 3, je višja od krivulje 4. Krivulja je poševna črta na sredini diagrama. Temperatura plina vedno ostaja konstantna, spreminjata se le tlak (P) in prostornina (V) plina.
V skladu z zakonom o idealnem plinu se mora črta, ki se začne pri 1, končati pri 1. Prav tako se mora črta, ki se začne pri 2, končati pri 2. Resničnost, ki jo doživljajo resnični plini, se ne ujema z napovedmi zakona o idealnem plinu. Ko je tlak plina dovolj visok, se prostornina plina zmanjša in odstopa od napovedi zakona o idealnem plinu (primerjaj krivulji 1 in 2). Velikost odstopanja prostornine plina je odvisna tudi od temperature. Če je temperatura plina nižja in blizu tališča, znanega tudi kot vrelišče (točka b), plin običajno doživi večje odstopanje prostornine v primerjavi s tem, ko je temperatura višja (primerjaj krivulje 1, 2, 3 in 4). Na to vplivajo privlačne sile med molekulami plina, kot je bilo pojasnjeno že prej.
Krivulja 3 na zgornjem diagramu prikazuje obnašanje snovi pri njeni kritični temperaturi. Točka c, skozi katero poteka krivulja 3, se imenuje kritična točka. Pri temperaturah, višjih od kritične temperature, se plin ne more spremeniti v tekočino, tudi če se nanj uporabi zelo visok tlak (primerjaj s krivuljama 2 in 1). Uporabljeni tlak le zmanjša prostornino plina, vendar ga ne more spremeniti v tekočino. Nasprotno pa se pri temperaturah, nižjih od kritične temperature, plin spremeni v tekočino, če se nanj uporabi določen tlak (primerjaj s krivuljo 3). Količina tlaka, ki lahko pri kritični temperaturi spremeni plin v tekočino, se imenuje kritični tlak. Vsaka snov ima drugačno kritično temperaturo in kritični tlak.
Krivulja 4 na zgornjem diagramu prikazuje proces prehoda iz plina v tekočino. Osenčeno območje (ki spominja na goro) je območje, kjer sta plinsko in tekoče stanje v ravnovesju. Sprva je volumen plina precej velik. Ko se tlak plina poveča, se volumen plina zmanjša, dokler ne doseže točke b (točka b je tališče, znano tudi kot vrelišče). Ko doseže točko b, se plin začne spreminjati v tekočino. Med procesom prehoda iz plina v tekočino (od točke b do točke a) se volumen snovi zmanjša, čeprav ni povečanja tlaka (označeno z ravno črto). V točki a se je ves plin spremenil v tekočino. Po dosegu točke a povečanje tlaka na snov povzroči le zelo majhno spremembo volumna (označeno z zelo strmo obliko krivulje).
V vsakdanjem življenju pogosto uporabljamo izraza para in plin. Na primer vodna para ali dušikov plin. Vodne pare skoraj nikoli ne imenujemo vodni plin, čeprav je vodna para pravzaprav plinasta oblika vode. Enako velja za dušik, kisik itd. Dušik ali kisik se običajno imenujeta plina. Plin in para imata različen pomen. Če je plinasto stanje snovi pod kritično temperaturo snovi, jo imenujemo para. Nasprotno, če je plinasto stanje snovi nad kritično temperaturo snovi, jo imenujemo plin.
Diagram tlaka v primerjavi s temperaturo (fazni diagram)
Prej smo obnašanje snovi razložili z diagramom tlaka v odvisnosti od prostornine. Poleg diagrama PV lahko obnašanje snovi razložimo tudi z diagramom tlaka (P) v odvisnosti od temperature (T). Diagram PT se običajno imenuje fazni diagram. Fazni diagram se imenuje zato, ker se uporablja za primerjavo faz ali stanj snovi. Ena od snovi, ki pogosto spreminja agregatno stanje, je voda.
Na diagramu so tri krivulje, in sicer krivulja izhlapevanja, krivulja taljenja in krivulja sublimacije.
Krivulja izhlapevanja prikazuje točke, kjer sta tekočina in para v ravnovesju. Točka, kjer sta tekočina in para v ravnovesju, se imenuje tališče ali vrelišče (Imenuje se tališče, ker se na tej točki para lahko stopi in spremeni v vodo. Imenuje se vrelišče, ker lahko na tej točki voda zavre in se spremeni v paro). Krivulja izhlapevanja je torej pravzaprav graf, ki prikazuje razmerje med tlakom (P) in vreliščem/temperaturo tališča. Zdi se, da manjši kot je tlak, nižje je vrelišče vode, oziroma večji kot je tlak, višje je vrelišče vode. Pri tlaku 1 atm je vrelišče vode = 100 ° C. Nasprotno pa je pri tlaku 218 atm vrelišče vode = 374 ° C.
Tlak 218 atm je znan tudi kot kritični tlak vode, medtem ko je temperatura 374 ° C znana tudi kot kritična temperatura vode. Če je temperatura pare nižja od 374 ° C, se lahko para spremeni v tekočino, če ji je dodan tlak 374 ° C. Noben tlak ne more spremeniti pare v tekočino, če je temperatura višja od 218 ° C.
Krivulja taljenja prikazuje točke, kjer sta tekoče in trdno stanje v ravnovesju. Točka, kjer sta tekoče in trdno stanje v ravnovesju, se imenuje tališče ali ledišče (Imenuje se tališče, ker se na tej točki led lahko stopi v vodo. Imenuje se ledišče, ker se na tej točki voda lahko zmrzne v led). Krivulja taljenja je torej pravzaprav graf, ki prikazuje razmerje med tlakom (P) in tališčem ali temperaturo ledišča. Pri tlaku 1 atm je ledišče vode (ali tališče ledu) = 0. oC. Nasprotno pa je pri tlaku 218 atm ledišče vode (ali tališče ledu) manjše od 0 oC. Upoštevajte, da je pri tlaku 1 atm voda v tekočem stanju, če je temperatura med 0 oC in 100 oC. Voda je v trdnem stanju, če je pri tlaku 1 atm temperatura nižja od 0 oC ali voda je v obliki pare, če je pri tlaku 1 atm temperatura višja od 100 oC.
Sublimacijska krivulja prikazuje točke, kjer sta trdna snov in para v ravnovesju. Točka, kjer sta trdna snov in para v ravnovesju, se imenuje sublimacijska točka. Sublimacijska krivulja je torej pravzaprav graf, ki prikazuje razmerje med tlakom (P) in temperaturo sublimacijske točke ... Sublimacija je proces pretvorbe trdnega stanja v paro, ne da bi prešel skozi tekoče stanje ... Sublimacija se običajno pojavi le pri nizkih tlakih. Led lahko sublimira le, če je temperatura nižja od 0,01 ° C in tlak nižji od 0,006 atm. Točka, kjer se tri krivulje sekajo, se imenuje trojna točka.
Spodaj je fazni diagram ogljikovega dioksida. Upoštevajte, da lestvice na faznem diagramu vode in faznem diagramu ogljikovega dioksida niso linearne.
