Faz değişimleri, kritik sıcaklık, üçlü nokta hakkında makale
İdeal gaz yasasının tartışılmasında, ideal gaz yasasının gerçek gazın davranışını ancak gerçek gazın basıncı ve yoğunluğu çok büyük olmadığında doğru bir şekilde tanımladığı açıklanmıştır. Basınç ve gerçek gaz yoğunluğu yeterince büyükse, ideal gaz yasası yanlış sonuçlar verir; aynı şekilde, gerçek gazın sıcaklığı kaynama noktasına yaklaştığında da durum böyledir. Bu, gerçek gaz molekülleri arasında meydana gelen etkileşimlerle ilgilidir. Gaz basıncı, gaz hacmiyle ters orantılıdır. Gaz basıncı yeterince büyük olduğunda, gaz hacmi küçülür. Gaz hacmi düşük olduğu için, gaz molekülleri arasındaki mesafe kısalır. Moleküller arasındaki mesafe kısaldığında, moleküller birbirini çeker. Bu, bir mıknatısa bir parça demir koymaya benzer. Mıknatıs ile demir arasındaki mesafe yeterince uzaksa, mıknatıs demiri çekemez. Ancak mıknatıs ile demir arasındaki mesafe yakınsa, demir daha da yaklaşır.
Gaz molekülleri mıknatıs gibi davranır. Moleküller arasındaki mesafe yeterince yakın olduğunda, moleküller birbirini çeker. Bu çekme kuvveti, moleküller arasındaki mesafenin daha da kısalmasına neden olur (gaz hacmi küçülür). Genellikle bu, gaz basıncı yeterince yüksek olduğunda gerçekleşir (yüksek basınç, düşük hacim; düşük hacim, moleküller arasındaki mesafenin kısalması). Bu nedenle, gerçek gazın basıncı ve yoğunluğu yüksek olduğunda ideal gaz yasası doğru sonuçlar vermez.
Basınç ve Basınç Hacmi Diyagramı
Yukarıdaki problemi daha iyi anlamak için, gaz basıncı ve hacmi arasındaki ilişkiyi gösteren diyagramı inceleyelim. 1, 2, 3 ve 4 numaralı eğriler, farklı sıcaklıklarda aynı gaz davranışını göstermektedir. 1 numaralı eğride gösterilen gaz sıcaklığı, 2 numaralı eğriden daha yüksektir. 2 numaralı eğride gösterilen gaz sıcaklığı, 3 numaralı eğriden daha yüksektir. 3 numaralı eğride gösterilen gaz sıcaklığı, 4 numaralı eğriden daha yüksektir. Eğri, diyagramın ortasındaki eğik çizgidir. Gaz sıcaklığı her zaman sabittir, bu da sadece gazın basıncını (P) ve hacmini (V) değiştirir.
İdeal gaz yasasına göre, 1 numaradan başlayan çizgi 1 numarada bitmelidir. Benzer şekilde, 2 numaradan başlayan çizgi 2 numarada durmalıdır. Gerçek gazın yaşadığı gerçeklik, ideal gaz yasasının öngördüğüyle örtüşmez. Gaz basıncı yeterince yüksek olduğunda, gaz hacmi küçülür ve ideal gaz yasasının öngördüğünden sapar (1. ve 2. eğrileri karşılaştırın). Gaz hacmi sapmasının miktarı sıcaklığa da bağlıdır. Gazın sıcaklığı düşükse ve erime noktasına, yani kaynama noktasına (b noktası) yaklaşıyorsa, gaz genellikle sıcaklık daha yüksek olduğundan daha önemli bir hacim sapması yaşar (1, 2, 3 ve 4. eğrileri karşılaştırın). Bu durum, daha önce açıklandığı gibi, gaz molekülleri arasındaki çekim kuvvetinden etkilenir.
Yukarıdaki diyagramda 3 numaralı eğri, bir maddenin kritik sıcaklığındaki davranışını göstermektedir. 3 numaralı eğrinin geçtiği c noktasına kritik nokta denir. Kritik sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda, önemli bir basınç uygulansa bile gaz sıvı hale dönüşemez (2 ve 1 numaralı eğrilerle karşılaştırın). Uygulanan basınç sadece gaz hacmini küçültür, ancak gazı sıvıya dönüştüremez. Tersine, kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda, mutlak bir basınç uygulandığında gaz sıvıya dönüşür (3 numaralı eğriyle karşılaştırın). Kritik sıcaklıkta gazı sıvıya dönüştürebilen basınç miktarına kritik basınç denir. Her maddenin farklı bir kritik sıcaklığı ve kritik basıncı vardır.
Yukarıdaki diyagramda 4 numaralı eğri, gazdan sıvıya dönüşüm sürecini göstermektedir. Gölgeli alan (dağ benzeri), gaz ve sıvının dengede olduğu alandır. Başlangıçta gaz hacmi büyüktür. Gaz basıncı arttıktan sonra, gaz hacmi b noktasına (b noktası erime noktası, diğer adıyla kaynama noktasıdır) ulaşana kadar küçülür. b noktasına ulaştığında, gaz sıvıya dönüşmeye başlar. Gazın sıvıya dönüşmesi sürecinde (b noktasından a noktasına kadar), basınç artışı olmamasına rağmen maddenin hacmi küçülür (düz çizgi ile işaretlenmiştir). a noktasında, tüm gazlar sıvıya dönüşmüştür. a noktasına ulaştıktan sonra, maddeye basınç eklemek yalnızca minimal bir hacim değişikliğine neden olur (çok dik bir eğri ile işaretlenmiştir).
Günlük hayatta sıklıkla buhar ve gaz terimlerini kullanırız. Örneğin, su buharı veya azot gazı. Su buharı sudan elde edilen bir gaz olmasına rağmen, su buharına neredeyse hiç su gazı demeyiz. Aynı şekilde azot, oksijen vb. için de durum böyledir. Azot veya oksijen genellikle gaz olarak adlandırılır. Gaz ve buharın farklı anlamları vardır. Bir maddenin gazı, maddenin kritik sıcaklığının altında ise, buna buhar deriz. Tersine, bir maddenin gazı, maddenin kritik sıcaklığının üzerinde ise, buna gaz deriz.
Basınç-Sıcaklık Diyagramı (Faz Diyagramı)
Daha önce basınç-hacim diyagramı kullanılarak maddelerin davranışları açıklanmıştı. Basınç-hacim diyagramına ek olarak, maddelerin davranışları basınç (P)-sıcaklık (T) diyagramı kullanılarak da açıklanabilir. Basınç-sıcaklık diyagramları genellikle faz diyagramları olarak adlandırılır. Bu diyagram, bir maddenin fazlarını karşılaştırmak için kullanıldığı için faz diyagramı olarak adlandırılır. Faz değiştiren maddelerden biri de sudur.
Diyagramda üç eğri bulunmaktadır: buharlaşma eğrileri, erime eğrileri ve süblimasyon eğrileri.
Buharlaşma eğrisi, sıvı ve buharın dengede olduğu noktaları gösterir. Sıvı ve buharın dengede olduğu noktaya erime noktası veya kaynama noktası denir (bu noktaya erime noktası denmesinin nedeni, bu noktada buharın eriyip suya dönüşebilmesidir; bu noktaya kaynama noktası denmesinin nedeni ise suyun kaynayıp buhara dönüşebilmesidir). Dolayısıyla, buharlaşma eğrisi aslında basınç (P) ile kaynama noktası/erime sıcaklığı arasındaki ilişkiyi gösteren bir grafiktir. Basınç ne kadar düşükse, suyun kaynama noktası sıcaklığı o kadar düşük olur; basınç ne kadar yüksekse, suyun kaynama noktası sıcaklığı o kadar yüksek olur. 1 atm basınçta, suyun kaynama noktası sıcaklığı 100 ° C'dir. Buna karşılık, 218 atm basınçta, suyun kaynama noktası sıcaklığı 374 ° C'dir.
218 atm basınca suyun kritik basıncı, 374 ° C sıcaklığa ise suyun kritik sıcaklığı denir. Buhar sıcaklığı 374 ° C'den düşükse , 374 ° C'lik bir basınca maruz kaldığında buhar sıvı hale dönüşebilir. Sıcaklık 218 ° C'den yüksekse, basınç buharı sıvıya dönüştüremez.
Erime eğrisi, sıvı ve katının dengede olduğu noktaları gösterir. Sıvı ve katının dengede olduğu noktaya erime noktası veya donma noktası denir (bu noktaya erime noktası denir çünkü bu noktada buz suya dönüşebilir; bu noktaya donma noktası denir çünkü bu noktada su buza dönüşebilir). Dolayısıyla, erime eğrisi, basınç (P) ile erime noktası veya donma sıcaklığı arasındaki ilişkiyi gösteren bir grafiktir. 1 atm basınçta, suyun donma noktası (veya buzun erime noktası) = 0 ° C'dir. Buna karşılık, 218 atm basınçta, suyun donma noktası (veya buzun erime noktası) 0 ° C'den daha düşüktür. 1 atm basınçta, sıcaklık 0 °C ile 100 ° C arasında ise su sıvı haldedir. 1 atm basınçta sıcaklık 0 ° C'den düşükse su katı haldedir veya 1 atm basınçta sıcaklık 100 ° C'yi aşarsa su buhar halindedir.
Süblimasyon eğrisi, katı ve buharın denge halinde olduğu noktaları gösterir. 
Denge noktasına süblimleşme noktası denir. Dolayısıyla, süblimleşme eğrisi, basınç (P) ile süblimleşme noktasının sıcaklığı arasındaki ilişkiyi gösteren bir grafiktir. Süblimleşme, katının sıvıdan geçmeden buhara dönüşmesi işlemidir. Genellikle süblimleşme sadece düşük basınçta gerçekleşir. Buz, ancak sıcaklık 0.01°C'den düşük olduğunda süblimleşebilir. oC noktasında basınç 0.006 atm'den azdır. Üç eğrinin kesiştiği noktaya üçlü nokta denir.
Aşağıda karbondioksit için bir faz diyagramı bulunmaktadır. Su faz diyagramındaki ve karbondioksit faz diyagramındaki ölçeklerin doğrusal olmadığını lütfen unutmayın.
