การเปลี่ยนสถานะ อุณหภูมิวิกฤต จุดสามสถานะ

บทความเกี่ยวกับ การเปลี่ยนแปลงสถานะ อุณหภูมิวิกฤต จุดสามสถานะ

ในการอธิบายกฎของแก๊สอุดมคติ ได้มีการอธิบายไปแล้วว่า กฎของแก๊สอุดมคติจะอธิบายพฤติกรรมของแก๊สจริงได้อย่างแม่นยำก็ต่อเมื่อความดันและความหนาแน่นของแก๊สจริงไม่มากเกินไป หากความดันและความหนาแน่นของแก๊สจริงมากเกินไป กฎของแก๊สอุดมคติจะให้ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้อง เช่นเดียวกับเมื่ออุณหภูมิของแก๊สจริงเข้าใกล้จุดเดือด สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลของแก๊สจริง ความดันของแก๊สแปรผกผันกับปริมาตรของแก๊ส เมื่อความดันของแก๊สมากพอ ปริมาตรของแก๊สจะลดลง เนื่องจากปริมาตรของแก๊สน้อย ระยะห่างระหว่างโมเลกุลของแก๊สจึงใกล้กันมากขึ้น เมื่อระยะห่างระหว่างโมเลกุลใกล้กันมากขึ้น โมเลกุลก็จะดึงดูดซึ่งกันและกัน เปรียบเสมือนการวางชิ้นเหล็กไว้บนแม่เหล็ก หากระยะห่างระหว่างแม่เหล็กกับเหล็กมากพอ แม่เหล็กจะไม่สามารถดึงเหล็กได้ แต่หากระยะห่างระหว่างแม่เหล็กกับเหล็กใกล้กัน เหล็กก็จะถูกดึงดูดเข้าหาแม่เหล็ก

โมเลกุลของแก๊สมีพฤติกรรมคล้ายแม่เหล็ก เมื่อระยะห่างระหว่างโมเลกุลใกล้กันมากพอ โมเลกุลจะดึงดูดกัน แรงดึงดูดนี้ทำให้ระยะห่างระหว่างโมเลกุลลดลง (ปริมาตรของแก๊สลดลง) โดยปกติแล้ว เหตุการณ์นี้จะเกิดขึ้นเมื่อความดันของแก๊สสูงมาก (ความดันสูง ปริมาตรต่ำ ปริมาตรต่ำ ระยะห่างระหว่างโมเลกุลจึงใกล้กันมากขึ้น) ดังนั้น กฎของแก๊สอุดมคติจึงไม่ให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำเมื่อความดันและความหนาแน่นของแก๊สจริงมีค่ามาก

แผนภาพแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันและปริมาตร

เพื่อให้เข้าใจปัญหาข้างต้นได้ดียิ่งขึ้น ลองทบทวนแผนภาพที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันและปริมาตรของแก๊ส เส้นโค้ง 1, 2, 3 และ 4 แสดงพฤติกรรมของแก๊สเดียวกันที่อุณหภูมิต่างกัน อุณหภูมิของแก๊สที่แสดงในเส้นโค้ง 1 สูงกว่าเส้นโค้ง 2 อุณหภูมิของแก๊สที่แสดงในเส้นโค้ง 2 สูงกว่าเส้นโค้ง 3 อุณหภูมิของแก๊สที่แสดงในเส้นโค้ง 3 สูงกว่าเส้นโค้ง 4 เส้นโค้งคือเส้นเฉียงตรงกลางของแผนภาพ อุณหภูมิของแก๊สจะคงที่เสมอ ซึ่งเปลี่ยนแปลงเฉพาะความดัน (P) และปริมาตร (V) ของแก๊สเท่านั้น

ตามกฎของแก๊สอุดมคติ เส้นที่เริ่มต้นจากหมายเลข 1 จะต้องสิ้นสุดที่หมายเลข 1 เช่นเดียวกัน เส้นที่เริ่มต้นจากหมายเลข 2 จะต้องสิ้นสุดที่หมายเลข 2 แต่ความเป็นจริงของแก๊สที่เกิดขึ้นจริงนั้นไม่ตรงกับที่กฎของแก๊สอุดมคติคาดการณ์ไว้ เมื่อความดันของแก๊สสูงมากพอ ปริมาตรของแก๊สจะลดลงและเบี่ยงเบนไปจากที่กฎของแก๊สอุดมคติคาดการณ์ไว้ (เปรียบเทียบเส้นโค้ง 1 และเส้นโค้ง 2) ปริมาณการเบี่ยงเบนของปริมาตรแก๊สยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิด้วย หากอุณหภูมิของแก๊สต่ำลงและเข้าใกล้จุดหลอมเหลวหรือจุดเดือด (จุด b) แก๊สจะเบี่ยงเบนปริมาตรมากกว่าเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า (เปรียบเทียบเส้นโค้ง 1, 2, 3 และ 4) ซึ่งได้รับอิทธิพลจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของแก๊ส ดังที่ได้อธิบายไว้ก่อนหน้านี้

เส้นโค้งที่ 3 ในแผนภาพด้านบนแสดงพฤติกรรมของสารที่อุณหภูมิวิกฤต จุด c ที่เส้นโค้งที่ 3 ผ่านเรียกว่าจุดวิกฤต ที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤต สถานะของแก๊สจะไม่สามารถเปลี่ยนเป็นของเหลวได้ แม้ว่าจะได้รับความดันมากก็ตาม (เปรียบเทียบกับเส้นโค้งที่ 2 และเส้นโค้งที่ 1) ความดันที่ให้ไปจะทำให้ปริมาตรของแก๊สลดลงเท่านั้น แต่ไม่สามารถเปลี่ยนแก๊สให้เป็นของเหลวได้ ในทางกลับกัน ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต แก๊สจะเปลี่ยนเป็นของเหลวได้หากได้รับความดันสัมบูรณ์ (เปรียบเทียบกับเส้นโค้งที่ 3) ปริมาณความดันที่สามารถเปลี่ยนแก๊สให้เป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิวิกฤตเรียกว่าความดันวิกฤต สารแต่ละชนิดมีอุณหภูมิวิกฤตและความดันวิกฤตที่แตกต่างกัน

เส้นโค้งที่ 4 ในแผนภาพด้านบนแสดงกระบวนการเปลี่ยนสถานะจากแก๊สเป็นของเหลว บริเวณที่แรเงา (คล้ายภูเขา) คือบริเวณที่แก๊สและของเหลวอยู่ในสภาวะสมดุล ในตอนแรก ปริมาตรของแก๊สมีมาก หลังจากที่ความดันของแก๊สเพิ่มขึ้น ปริมาตรของแก๊สจะลดลงจนถึงจุด b (จุด b คือจุดหลอมเหลว หรือจุดเดือด) เมื่อถึงจุด b แก๊สจะเริ่มเปลี่ยนเป็นของเหลว ในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนสถานะจากแก๊สเป็นของเหลว (จากจุด b ไปยังจุด a) ปริมาตรของสารจะลดลงแม้ว่าจะไม่มีการเพิ่มความดัน (แสดงด้วยเส้นตรง) ที่จุด a แก๊สทั้งหมดได้เปลี่ยนเป็นของเหลวแล้ว หลังจากถึงจุด a การเพิ่มความดันให้กับสารจะทำให้ปริมาตรเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น (แสดงด้วยเส้นโค้งที่ชันมาก)

ในชีวิตประจำวัน เรามักใช้คำว่าไอน้ำและก๊าซ ตัวอย่างเช่น ไอน้ำหรือก๊าซไนโตรเจน เราแทบจะไม่เคยเรียกไอน้ำว่าก๊าซน้ำเลย แม้ว่าไอน้ำจะเป็นก๊าซที่เกิดจากน้ำก็ตาม เช่นเดียวกับไนโตรเจน ออกซิเจน ฯลฯ โดยทั่วไปแล้วไนโตรเจนหรือออกซิเจนมักถูกเรียกว่าก๊าซ ก๊าซและไอน้ำมีความหมายแตกต่างกัน หากก๊าซที่เกิดจากสารนั้นมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตของสารนั้น เราจะเรียกว่าไอน้ำ ในทางกลับกัน หากก๊าซที่เกิดจากสารนั้นมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤตของสารนั้น เราจะเรียกว่าก๊าซ

แผนภาพแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอุณหภูมิ (แผนภาพเฟส)

ก่อนหน้านี้ได้อธิบายพฤติกรรมของสารโดยใช้แผนภาพความดันเทียบกับปริมาตร นอกจากการใช้แผนภาพ PV แล้ว พฤติกรรมของสารยังสามารถอธิบายได้โดยใช้แผนภาพความดัน (P) เทียบกับอุณหภูมิ (T) แผนภาพ PT มักเรียกกันว่าแผนภาพเฟส เรียกว่าแผนภาพเฟสเพราะแผนภาพนี้ใช้ในการเปรียบเทียบเฟสของสาร สารชนิดหนึ่งที่มักเปลี่ยนเฟสคือน้ำ

ในแผนภาพมีเส้นโค้งสามเส้น ได้แก่ เส้นโค้งการระเหย เส้นโค้งการหลอมเหลว และเส้นโค้งการระเหิด

เส้นกราฟการระเหยแสดงจุดที่ของเหลวและไอน้ำอยู่ในสภาวะสมดุล จุดที่ของเหลวและไอน้ำอยู่ในสภาวะสมดุลเรียกว่าจุดหลอมเหลว หรือจุดเดือด (เรียกว่าจุดหลอมเหลวเพราะ ณ จุดนี้ไอน้ำสามารถหลอมเหลวและเปลี่ยนเป็นน้ำได้ เรียกว่าจุดเดือดเพราะ ณ จุดนี้น้ำสามารถเดือดและกลายเป็นไอน้ำได้) ดังนั้น เส้นกราฟการระเหยจึงเป็นกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดัน (P) และจุดเดือด/อุณหภูมิหลอมเหลว ดูเหมือนว่ายิ่งความดันต่ำ อุณหภูมิจุดเดือดของน้ำก็จะยิ่งต่ำ หรือยิ่งความดันสูง อุณหภูมิจุดเดือดของน้ำก็จะยิ่งสูง ที่ความดัน 1 บรรยากาศ อุณหภูมิจุดเดือดของน้ำคือ 100 ^องศาเซลเซียส ในทางกลับกัน ที่ความดัน 218 บรรยากาศ อุณหภูมิจุดเดือดของน้ำคือ 374 ^องศาเซลเซียส

ความดัน 218 บรรยากาศ เรียกว่าความดันวิกฤตของน้ำ ในขณะที่อุณหภูมิ 374 ^องศาเซลเซียส เรียกว่าอุณหภูมิวิกฤตของน้ำ หากอุณหภูมิของไอน้ำต่ำกว่า 374 ^องศาเซลเซียส ไอน้ำจะสามารถเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวได้หากได้รับความดัน 374 ^องศาเซลเซียส แต่ความดันจะไม่สามารถเปลี่ยนไอน้ำให้เป็นของเหลวได้หากอุณหภูมิสูงกว่า 218 ^องศาเซลเซียส

เส้นกราฟแสดงจุดหลอมเหลวและจุดเยือกแข็ง แสดงจุดที่ของเหลวและของแข็งอยู่ในสภาวะสมดุล จุดที่ของเหลวและของแข็งอยู่ในสภาวะสมดุลเรียกว่าจุดหลอมเหลวหรือจุดเยือกแข็ง (เรียกว่าจุดหลอมเหลวเพราะ ณ จุดนี้ น้ำแข็งสามารถละลายกลายเป็นน้ำได้ เรียกว่าจุดเยือกแข็งเพราะ ณ จุดนี้ น้ำสามารถแข็งตัวกลายเป็นน้ำแข็งได้) ดังนั้น เส้นกราฟแสดงจุดหลอมเหลวและจุดเยือกแข็งจึงเป็นกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดัน (P) และจุดหลอมเหลวหรืออุณหภูมิเยือกแข็ง ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือกแข็งของน้ำ (หรือจุดหลอมเหลวของน้ำแข็ง) เท่ากับ 0 ^องศาเซลเซียส ซึ่งแตกต่างจากความดัน 218 บรรยากาศ ที่จุดเยือกแข็งของน้ำ (หรือจุดหลอมเหลวของน้ำแข็ง) จะต่ำกว่า 0 ^องศาเซลเซียส โปรดทราบว่า ที่ความดัน 1 บรรยากาศ น้ำจะอยู่ในสถานะของเหลวหากอุณหภูมิอยู่ระหว่าง 0 องศาเซลเซียส ถึง 100 ^องศาเซลเซียส น้ำจะอยู่ในสถานะของแข็งหากที่ความดัน 1 บรรยากาศ อุณหภูมิต่ำกว่า 0 ^องศาเซลเซียส หรือน้ำจะอยู่ในสถานะไอน้ำหากที่ความดัน 1 บรรยากาศ อุณหภูมิสูงกว่า 100 ^องศาเซลเซียส

กราฟการระเหิดแสดงจุดที่ของแข็งและไออยู่ในสภาวะสมดุล จุดสมดุลเรียกว่าจุดระเหิด ดังนั้น เส้นโค้งระเหิดจึงเป็นกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดัน (P) และอุณหภูมิ ณ จุดระเหิด การระเหิดคือกระบวนการเปลี่ยนของแข็งเป็นไอน้ำโดยไม่ผ่านของเหลว โดยปกติการระเหิดจะเกิดขึ้นที่ความดันต่ำเท่านั้น น้ำแข็งจะระเหิดได้ก็ต่อเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 0.01 องศาเซลเซียส ^oC และความดันน้อยกว่า 0.006 บรรยากาศ จุดที่เส้นโค้งทั้งสามตัดกันเรียกว่าจุดสามจุด (triple point)

ด้านล่างนี้คือแผนภาพเฟสของคาร์บอนไดออกไซด์ โปรดสังเกตว่ามาตราส่วนในแผนภาพเฟสของน้ำและแผนภาพเฟสของคาร์บอนไดออกไซด์นั้นไม่เป็นเส้นตรง