การเปลี่ยนสถานะที่อุณหภูมิจุดสามสถานะวิกฤต

การเปลี่ยนแปลงสถานะของวัสดุ อุณหภูมิวิกฤต จุดสามสถานะ

ในการอธิบายกฎของแก๊สอุดมคติ ได้มีการอธิบายว่ากฎของแก๊สอุดมคติจะอธิบายพฤติกรรมของแก๊สจริงได้อย่างแม่นยำก็ต่อเมื่อความดันและความหนาแน่นของแก๊สจริงไม่สูงเกินไป หากความดันและความหนาแน่นของแก๊สจริงสูงมากพอ กฎของแก๊สอุดมคติจะให้ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้อง เช่นเดียวกับกรณีที่อุณหภูมิของแก๊สจริงเข้าใกล้จุดเดือด

เรื่องนี้เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลของแก๊สจริง ความดันของแก๊สแปรผกผันกับปริมาตรของแก๊ส เมื่อความดันของแก๊สสูงขึ้น ปริมาตรของแก๊สจะลดลง เนื่องจากปริมาตรของแก๊สน้อยลง ระยะห่างระหว่างโมเลกุลของแก๊สจึงแคบลง เมื่อระยะห่างระหว่างโมเลกุลแคบลง โมเลกุลเหล่านั้นก็จะดึงดูดซึ่งกันและกัน คล้ายกับเวลาที่เรานำเหล็กมาใกล้แม่เหล็ก ถ้าระยะห่างระหว่างแม่เหล็กกับเหล็กมากพอ แม่เหล็กก็จะไม่สามารถดึงดูดเหล็กได้ แต่ถ้าระยะห่างระหว่างแม่เหล็กกับเหล็กใกล้กัน เหล็กก็จะถูกดึงดูดเข้าหาแม่เหล็ก

ดังนั้น โมเลกุลของแก๊สจึงมีพฤติกรรมคล้ายแม่เหล็กและเหล็กในภาพประกอบด้านบน... เมื่อระยะห่างระหว่างโมเลกุลใกล้กันมากพอ โมเลกุลก็จะดึงดูดกัน แรงดึงดูดนี้ทำให้ระยะห่างระหว่างโมเลกุลลดลง (ปริมาตรของแก๊สลดลง) โดยปกติแล้วจะเกิดขึ้นเมื่อความดันของแก๊สสูงมาก (ความดันสูง ปริมาตรน้อย ปริมาตรน้อย ระยะห่างระหว่างโมเลกุลจึงใกล้กันมากขึ้น) ดังนั้น กฎของแก๊สอุดมคติจึงไม่ให้ผลลัพธ์ที่ถูกต้องเมื่อความดันและความหนาแน่นของแก๊สจริงมีค่าสูงมาก

แผนภาพความดันเทียบกับปริมาตร

เพื่อให้เข้าใจปัญหาข้างต้นได้ดียิ่งขึ้น ลองทบทวนแผนภาพที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันและปริมาตรของแก๊ส เส้นโค้ง 1, 2, 3 และ 4 แสดงพฤติกรรมของแก๊สชนิดเดียวกันที่อุณหภูมิต่างกัน อุณหภูมิของแก๊สที่แสดงในเส้นโค้ง 1 สูงกว่าเส้นโค้ง 2 อุณหภูมิของแก๊สที่แสดงในเส้นโค้ง 2 สูงกว่าเส้นโค้ง 3 อุณหภูมิของแก๊สที่แสดงในเส้นโค้ง 3 สูงกว่าเส้นโค้ง 4 เส้นโค้งนี้เป็นเส้นตรงเอียงอยู่ตรงกลางของแผนภาพ อุณหภูมิของแก๊สจะคงที่เสมอ การเปลี่ยนแปลงมีเพียงความดัน (P) และปริมาตร (V) ของแก๊สเท่านั้น

ตามกฎของแก๊สอุดมคติ เส้นที่เริ่มต้นที่ 1 จะต้องสิ้นสุดที่ 1 เช่นเดียวกัน เส้นที่เริ่มต้นที่ 2 จะต้องสิ้นสุดที่ 2 แต่ความเป็นจริงของแก๊สที่เกิดขึ้นจริงนั้นไม่สอดคล้องกับการคาดการณ์ของกฎแก๊สอุดมคติ เมื่อความดันของแก๊สสูงพอ ปริมาตรของแก๊สจะลดลงและเบี่ยงเบนไปจากการคาดการณ์ของกฎแก๊สอุดมคติ (เปรียบเทียบเส้นโค้ง 1 และ 2) ขนาดของการเบี่ยงเบนในปริมาตรของแก๊สยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิด้วย หากอุณหภูมิของแก๊สต่ำและใกล้กับจุดหลอมเหลว หรือที่เรียกว่าจุดเดือด (จุด b) แก๊สจะเบี่ยงเบนในปริมาตรมากกว่าเมื่อเทียบกับเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า (เปรียบเทียบเส้นโค้ง 1, 2, 3 และ 4) สิ่งนี้ได้รับอิทธิพลจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของแก๊ส ดังที่ได้อธิบายไว้ก่อนหน้านี้

เส้นโค้งที่ 3 ในแผนภาพด้านบนแสดงพฤติกรรมของสารที่อุณหภูมิวิกฤต จุด c ซึ่งเป็นจุดที่เส้นโค้งที่ 3 ผ่าน เรียกว่าจุดวิกฤต ที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤต แก๊สจะไม่สามารถเปลี่ยนเป็นของเหลวได้แม้ว่าจะใช้แรงดันสูงมากก็ตาม (เปรียบเทียบกับเส้นโค้งที่ 2 และ 1) แรงดันที่ใช้จะลดปริมาตรของแก๊สเท่านั้น แต่ไม่สามารถเปลี่ยนให้เป็นของเหลวได้ ในทางกลับกัน ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต แก๊สจะเปลี่ยนเป็นของเหลวได้หากใช้แรงดันในระดับหนึ่ง (เปรียบเทียบกับเส้นโค้งที่ 3) ปริมาณแรงดันที่สามารถเปลี่ยนแก๊สให้เป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิวิกฤตเรียกว่าแรงดันวิกฤต สารแต่ละชนิดมีอุณหภูมิวิกฤตและแรงดันวิกฤตที่แตกต่างกัน

เส้นโค้งที่ 4 ในแผนภาพด้านบนแสดงกระบวนการเปลี่ยนสถานะจากแก๊สเป็นของเหลว บริเวณที่แรเงา (คล้ายภูเขา) คือบริเวณที่สถานะแก๊สและของเหลวอยู่ในสมดุล ในตอนเริ่มต้น ปริมาตรของแก๊สค่อนข้างมาก หลังจากที่ความดันของแก๊สเพิ่มขึ้น ปริมาตรของแก๊สจะลดลงจนถึงจุด b (จุด b คือจุดหลอมเหลว หรือจุดเดือด) เมื่อถึงจุด b แก๊สจะเริ่มเปลี่ยนเป็นของเหลว ในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนสถานะจากแก๊สเป็นของเหลว (จากจุด b ไปยังจุด a) ปริมาตรของสารจะลดลงแม้ว่าจะไม่มีการเพิ่มขึ้นของความดัน (แสดงด้วยเส้นตรง) ที่จุด a แก๊สทั้งหมดได้เปลี่ยนเป็นของเหลวแล้ว หลังจากถึงจุด a การเพิ่มความดันให้กับสารจะทำให้ปริมาตรเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยมาก (แสดงด้วยเส้นโค้งที่ชันมาก)

ในชีวิตประจำวัน เรามักใช้คำว่าไอน้ำและก๊าซ ตัวอย่างเช่น ไอน้ำหรือก๊าซไนโตรเจน เราแทบจะไม่เรียกไอน้ำว่าก๊าซน้ำเลย แม้ว่าไอน้ำจะเป็นสถานะก๊าซของน้ำก็ตาม เช่นเดียวกับไนโตรเจน ออกซิเจน เป็นต้น ไนโตรเจนหรือออกซิเจนมักถูกเรียกว่าก๊าซ ก๊าซและไอน้ำมีความหมายแตกต่างกัน หากสารที่อยู่ในสถานะก๊าซอยู่ในชั้นบรรยากาศ เราจะเรียกว่าไอน้ำ ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต ถ้าสารนั้นอยู่ในสถานะของเหลว เราจะเรียกว่าไอ ในทางกลับกัน ถ้าสารนั้นอยู่ในสถานะก๊าซ เหนืออุณหภูมิวิกฤต ถ้าเป็นเช่นนั้น เราก็จะเรียกสารนั้นว่าแก๊ส

แผนภาพแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอุณหภูมิ (แผนภาพเฟส)

ก่อนหน้านี้ เราได้อธิบายพฤติกรรมของสารโดยใช้แผนภาพความดันเทียบกับปริมาตร นอกจากแผนภาพ PV แล้ว พฤติกรรมของสารยังสามารถอธิบายได้โดยใช้แผนภาพความดัน (P) เทียบกับอุณหภูมิ (T) แผนภาพ PT มักเรียกกันว่าแผนภาพเฟส เรียกว่าแผนภาพเฟสเพราะใช้ในการเปรียบเทียบเฟสหรือสถานะของสาร สารหนึ่งที่มักมีการเปลี่ยนแปลงสถานะคือน้ำ

ในแผนภาพมีเส้นโค้งสามเส้น ได้แก่ เส้นโค้งการระเหย เส้นโค้งการหลอมเหลว และเส้นโค้งการระเหิด

เส้นกราฟการระเหยแสดงจุดที่ของเหลวและไอน้ำอยู่ในสภาวะสมดุล จุดที่ของเหลวและไอน้ำอยู่ในสภาวะสมดุลเรียกว่าจุดหลอมเหลวหรือจุดเดือด (เรียกว่าจุดหลอมเหลวเพราะ ณ จุดนี้ไอน้ำสามารถกลายเป็นของเหลวและเปลี่ยนเป็นน้ำได้ เรียกว่าจุดเดือดเพราะ ณ จุดนี้น้ำสามารถเดือดและเปลี่ยนเป็นไอน้ำได้) ดังนั้น เส้นกราฟการระเหยจึงเป็นกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดัน (P) และอุณหภูมิจุดเดือด/จุดหลอมเหลว จะเห็นได้ว่ายิ่งความดันต่ำ จุดเดือดของน้ำก็จะยิ่งต่ำ หรือยิ่งความดันสูง จุดเดือดของน้ำก็จะยิ่งสูง ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเดือดของน้ำเท่ากับ 100 องศาเซลเซียส ^oค. ในทางกลับกัน ที่ความดัน 218 บรรยากาศ จุดเดือดของน้ำจะเท่ากับ 374 ^oC.

ความดัน 218 บรรยากาศ เรียกอีกอย่างว่าความดันวิกฤตของน้ำ ในขณะที่อุณหภูมิ 374 บรรยากาศ เรียกอีกอย่างว่าอุณหภูมิวิกฤตของน้ำ ^oC หรือที่รู้จักกันในชื่ออุณหภูมิวิกฤตของน้ำ หากอุณหภูมิของไอน้ำต่ำกว่า 374 องศาเซลเซียส ^oC. ไอน้ำสามารถเปลี่ยนเป็นของเหลวได้หากได้รับความดัน 374 ^oค. ไม่ว่าจะมีแรงดันมากแค่ไหน ก็ไม่สามารถเปลี่ยนไอให้เป็นของเหลวได้หากอุณหภูมิสูงกว่า 218 องศาเซลเซียส ^oC.

เส้นกราฟการหลอมเหลวแสดงจุดที่สถานะของเหลวและของแข็งอยู่ในสมดุล จุดที่สถานะของเหลวและของแข็งอยู่ในสมดุลเรียกว่าจุดหลอมเหลวหรือจุดเยือกแข็ง (เรียกว่าจุดหลอมเหลวเพราะที่จุดนี้น้ำแข็งสามารถละลายกลายเป็นน้ำได้ เรียกว่าจุดเยือกแข็งเพราะที่จุดนี้น้ำสามารถแข็งตัวกลายเป็นน้ำแข็งได้) ดังนั้น เส้นกราฟการหลอมเหลวจึงเป็นกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดัน (P) และอุณหภูมิจุดหลอมเหลวหรือจุดเยือกแข็ง ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือกแข็งของน้ำ (หรือจุดหลอมเหลวของน้ำแข็ง) = 0 ^oค. ในทางกลับกัน ที่ความดัน 218 บรรยากาศ จุดเยือกแข็งของน้ำ (หรือจุดหลอมเหลวของน้ำแข็ง) จะน้อยกว่า 0 องศาเซลเซียส ^oค. โปรดทราบว่าที่ความดัน 1 บรรยากาศ น้ำจะอยู่ในรูปของเหลวหากอุณหภูมิอยู่ระหว่าง 0 ^oซี และ 100 ^oค. น้ำอยู่ในสถานะของแข็งก็ต่อเมื่อที่ความดัน 1 บรรยากาศ อุณหภูมิต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส ^oC หรือน้ำอยู่ในรูปของไอน้ำหากที่ความดัน 1 บรรยากาศ อุณหภูมิมากกว่า 100 ^oC.

เส้นกราฟการระเหิดแสดงจุดที่ของแข็งและไออยู่ในสภาวะสมดุล จุดที่ของแข็งและไออยู่ในสภาวะสมดุลเรียกว่าจุดระเหิด ดังนั้น เส้นกราฟการระเหิดจึงเป็นกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดัน (P) และอุณหภูมิของจุดระเหิด... การระเหิดคือกระบวนการเปลี่ยนของแข็งเป็นไอโดยไม่ผ่านสถานะของเหลว... โดยปกติการระเหิดจะเกิดขึ้นที่ความดันต่ำเท่านั้น น้ำแข็งจะระเหิดได้ก็ต่อเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 0,01 องศาเซลเซียส ^oC และความดันน้อยกว่า 0,006 บรรยากาศ จุดที่เส้นโค้งทั้งสามตัดกันเรียกว่าจุดสามจุด (triple point)

ด้านล่างนี้คือแผนภาพเฟสของคาร์บอนไดออกไซด์ โปรดสังเกตว่ามาตราส่วนในแผนภาพเฟสของน้ำและแผนภาพเฟสของคาร์บอนไดออกไซด์นั้นไม่เป็นเส้นตรง