Cíle Vzdělávání
na konci této části, budete moci:
- Interpretovat fázový diagram.
- Státní Daltonův zákon.
- Identifikujte a popište trojitý bod plynu z jeho fázového diagramu.
- popište stav rovnováhy mezi kapalinou a plynem, kapalinou a pevnou látkou a plynem a pevnou látkou.
až dosud jsme uvažovali o chování ideálních plynů. Skutečné plyny jsou jako ideální plyny při vysokých teplotách. Při nižších teplotách však nelze ignorovat interakce mezi molekulami a jejich objemy. Molekuly jsou velmi blízko (dochází ke kondenzaci) a dochází k dramatickému poklesu objemu, jak je vidět na obrázku 1. Látka se mění z plynu na kapalinu. Když je kapalina ochlazena na ještě nižší teploty, stává se pevnou látkou. Objem nikdy nedosáhne nuly kvůli konečnému objemu molekul.
Obrázek 1. Náčrt objemu versus teplota pro skutečný plyn při konstantním tlaku. Lineární (přímka) část grafu představuje ideální chování plynu—objem a teplota jsou přímo a pozitivně souvisí a linka extrapolaci na nulovou hlasitost na -273.15 ºC, nebo absolutní nula. Když se však plyn stává kapalinou, objem se ve skutečnosti v místě zkapalnění prudce snižuje. Objem se mírně snižuje, jakmile je látka pevná, ale nikdy se nestane nulou.
vysoký tlak může také způsobit, že plyn změní fázi na kapalinu. Oxid uhličitý je například plyn při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku, ale stává se kapalinou pod dostatečně vysokým tlakem. Pokud je tlak snížen, teplota klesne a kapalný oxid uhličitý ztuhne na sněhovou látku při teplotě-78ºC. Pevný CO2 se nazývá “ suchý led.“Dalším příkladem plynu, který může být v kapalné fázi, je kapalný dusík (LN2). LN2 se vyrábí zkapalněním atmosférického vzduchu (kompresí a chlazením). Vaří při 77 K (- 196ºC) při atmosférickém tlaku. LN2 je užitečný jako chladivo a umožňuje uchování krve, spermií a dalších biologických materiálů. Používá se také ke snížení hluku v elektronických senzorech a zařízeních a k ochlazení jejich proudových vodičů. V dermatologii se LN2 používá k zmrazení a bezbolestnému odstranění bradavic a dalších výrůstků z kůže.
PV Diagramy
můžeme zkoumat aspekty chování látky vynesením graf tlak vs. objem, který se nazývá PV diagramu. Když se látka chová jako ideální plyn, zákon o ideálním plynu popisuje vztah mezi jejím tlakem a objemem. To znamená, že PV = NkT (ideální plyn).
nyní, za předpokladu, že počet molekul a teplota jsou pevné, PV = konstantní (ideální plyn, konstantní teplota).
například objem plynu se bude snižovat se zvyšujícím se tlakem. Pokud vykreslíte vztah PV = constant na PV diagramu, najdete hyperbolu. Obrázek 2 ukazuje graf tlaku versus objem. Hyperbolas představují chování ideálního plynu při různých pevných teplotách a nazývají se izotermy. Při nižších teplotách začnou křivky vypadat méně jako hyperboly—plyn se nechová ideálně a může dokonce obsahovat kapalinu. Kritická teplota-nad kterou kapalina nemůže existovat. Při dostatečně vysokém tlaku nad kritickým bodem bude mít plyn hustotu kapaliny, ale nebude kondenzovat. Například oxid uhličitý nelze zkapalnit při teplotě nad 31,0 ° C. Kritický tlak je minimální tlak potřebný k tomu, aby kapalina existovala při kritické teplotě. Tabulka 1 uvádí reprezentativní kritické teploty a tlaky.
Obrázek 2. PV diagramy. (a) každá křivka (izoterma) představuje vztah mezi P A V při pevné teplotě; horní křivky jsou při vyšších teplotách. Dolní křivky nejsou hyperboly, protože plyn již není ideálním plynem. (b) rozšířená část diagramu pro nízké teploty, kde se fáze může změnit z plynu na kapalinu. Termín „pára“ označuje plynnou fázi, pokud existuje při teplotě pod teplotou varu.
| Tabulka 1. Kritické Teploty a Tlaky | ||||
|---|---|---|---|---|
| Látka | Kritická teplota | Kritický tlak | ||
| K | º C | Pa | atm | |
| Voda | 647.4 | 374.3 | 22.12 × 106 | 219.0 |
| Oxid uhličitý | 430.7 | 157.6 | 7.88 × 106 | 78.0 |
| Amoniak | 405.5 | 132.4 | 11.28 × 106 | 111.7 |
| Carbon dioxide | 304.2 | 31.1 | 7.39 × 106 | 73.2 |
| Oxygen | 154.8 | −118.4 | 5.08 × 106 | 50.3 |
| Nitrogen | 126.2 | −146.9 | 3.39 × 106 | 33.6 |
| Hydrogen | 33.3 | −239.9 | 1.30 × 106 | 12.9 |
| Helium | 5.3 | −267.9 | 0.229 × 106 | 2.27 |
Fázové Diagramy
pozemky tlaku v závislosti na teplotě poskytuje značný vhled do tepelné vlastnosti látek. Na těchto grafech jsou dobře definované oblasti, které odpovídají různým fázím hmoty, takže grafy PT se nazývají fázové diagramy. Obrázek 3 ukazuje fázový diagram pro vodu. Pomocí grafu, pokud znáte tlak a teplotu, můžete určit fázi vody. Pevné čáry-hranice mezi fázemi-označují teploty a tlaky, při kterých fáze koexistují (to znamená, že existují společně v poměrech, v závislosti na tlaku a teplotě). Například teplota varu vody je 100 ° C při 1,00 atm. Jak se tlak zvyšuje, teplota varu neustále stoupá na 374 ° C při tlaku 218 atm. Tlakový hrnec (nebo dokonce pokryté hrnce) bude vařit jídlo rychleji, protože voda nemůže existovat jako kapalina při teplotách vyšších než 100 ° C bez varu pryč. Křivka končí v bodě zvaném kritický bod, protože při vyšších teplotách kapalná fáze neexistuje při žádném tlaku. Kritický bod nastává při kritické teplotě, jak můžete vidět pro vodu z tabulky 1. Kritická teplota pro kyslík, je –118ºC, takže kyslík nemůže být zkapalněný nad tuto teplotu.
obrázek 3. Fázový diagram (PT graf) pro vodu. Všimněte si, že osy jsou nelineární a graf není v měřítku. Tento graf je zjednodušený—existuje několik dalších exotických fází ledu při vyšších tlacích.
Podobně, křivka mezi pevné a kapalné regionů na Obrázku 3 dává teplotu tání při různých tlacích. Například teplota tání je 0 ° C při 1,00 atm, jak se očekávalo. Všimněte si, že při pevné teplotě můžete změnit fázi z pevné (ledové) na kapalnou (vodu) zvýšením tlaku. LED se taví z tlaku v rukou výrobce sněhové koule. Z fázového diagramu můžeme také říci, že teplota tání ledu stoupá se zvýšeným tlakem. Když je auto poháněno sněhem, zvýšený tlak z pneumatik roztaví sněhové vločky; poté voda znovu zmrazí a vytvoří ledovou vrstvu.
při dostatečně nízkých tlacích neexistuje kapalná fáze, ale látka může existovat jako plyn nebo pevná látka. U vody neexistuje kapalná fáze při tlacích pod 0,00600 atm. Fázová změna z pevné látky na plyn se nazývá sublimace. To představuje velké ztráty snow pack, které nikdy dělat to do řeky, rutinní automatické odmrazování mrazáku, a freeze-sušení proces aplikován na mnoha potravinách. Oxid uhličitý na druhé straně sublimuje při standardním atmosférickém tlaku 1 atm. (Pevná forma CO2 je známá jako suchý led, protože se neroztaví. Místo toho se pohybuje přímo z pevné látky do plynného stavu.)
všechny tři křivky na fázovém diagramu se setkávají v jediném bodě, trojitém bodě, kde všechny tři fáze existují v rovnováze. U vody se trojitý bod vyskytuje při 273,16 K (0.01ºC), a je přesnější kalibrační teplota než teplota tání vody při 1,00 atm nebo 273,15 K (0,0 ºC). Trojbodové hodnoty ostatních látek viz tabulka 2.
rovnováha
kapalná a plynná fáze jsou v rovnováze při teplotě varu. (Viz Obrázek 4.) Pokud je látka v uzavřené nádobě v bodě varu, kapalina se vaří a plyn kondenzuje stejnou rychlostí bez čisté změny jejich relativního množství. Molekuly v kapalině unikají jako plyn stejnou rychlostí, jakou se molekuly plynu drží na kapalině, nebo tvoří kapičky a stávají se součástí kapalné fáze. Kombinace teploty a tlaku musí být „správná“; pokud se teplota a tlak zvýší, rovnováha se udržuje stejným zvýšením rychlosti varu a kondenzace.
Obrázek 4. Rovnováha mezi kapalinou a plynem ve dvou různých bodech varu uvnitř uzavřené nádoby. a) rychlosti varu a kondenzace jsou při této kombinaci teploty a tlaku stejné, takže kapalná a plynná fáze jsou v rovnováze. b) při vyšší teplotě je rychlost varu rychlejší a rychlosti, při kterých molekuly opouštějí kapalinu a vstupují do plynu, jsou také rychlejší. Protože v plynu je více molekul, tlak plynu je vyšší a rychlost, jakou molekuly plynu kondenzují a vstupují do kapaliny, je rychlejší. Výsledkem je, že plyn a kapalina jsou v rovnováze při této vyšší teplotě.
| Tabulka 2. Triple Point Temperatures and Pressures | ||||
|---|---|---|---|---|
| Substance | Temperature | Pressure | ||
| K | º C | Pa | atm | |
| Water | 273.16 | 0.01 | 6.10 × 102 | 0.00600 |
| Carbon dioxide | 216.55 | −56.60 | 5.16 × 105 | 5.11 |
| Sulfur dioxide | 197.68 | −75.47 | 1.67 × 103 | 0.0167 |
| Ammonia | 195.40 | −77.75 | 6.06 × 103 | 0.0600 |
| Nitrogen | 63.18 | −210.0 | 1.25 × 104 | 0.124 |
| Oxygen | 54.36 | −218.8 | 1.52 × 102 | 0.00151 |
| Hydrogen | 13.84 | −259.3 | 7.04 × 103 | 0.0697 |
One example of equilibrium between liquid and gas is that of water and steam at 100ºC and 1.00 atm. Tato teplota je bod varu při tomto tlaku, takže by měly existovat v rovnováze. Proč se otevřený hrnec vody při 100 ° C úplně vaří? Plyn obklopující otevřený hrnec není čistá voda: je smíchán se vzduchem. Pokud čisté vody a páry v uzavřené nádobě na 100 ° C a 1,00 atm, že by koexistovat—ale s vzduch přes banku, tam jsou méně molekul vody ke kondenzaci, a voda se vaří. A co voda při 20.0 ºC a 1.00 atm? Tato teplota a tlak odpovídají kapalné oblasti, přesto se otevřená sklenice vody při této teplotě zcela odpaří. Plyn kolem něj je opět vzduch a ne čistá vodní pára, takže snížená rychlost odpařování je větší než rychlost kondenzace vody ze suchého vzduchu. Pokud je sklo utěsněno, zůstává kapalná fáze. Plynnou fázi nazýváme párou, pokud existuje, stejně jako u vody při 20,0 ° C, při teplotě pod teplotou varu.
Zkontrolujte své porozumění
vysvětlete, proč šálek vody (nebo sody) s kostkami ledu zůstává na 0 ° C, a to i v horkém letním dni.
roztok
led a kapalná voda jsou v tepelné rovnováze, takže teplota zůstává na teplotě mrazu, dokud zůstane led v kapalině. (Jakmile se celý led roztaje, teplota vody začne stoupat.)
tlak par, parciální tlak a Daltonův zákon
tlak par je definován jako tlak, při kterém plyn koexistuje se svou pevnou nebo kapalnou fází. Tlak par je vytvářen rychlejšími molekulami, které se oddělují od kapaliny nebo pevné látky a vstupují do plynné fáze. Tlak par látky závisí jak na látce, tak na její teplotě—zvýšení teploty zvyšuje tlak par.
parciální tlak je definován jako tlak, který by plyn vytvořil, kdyby obsadil celkový dostupný objem. Ve směsi plynů je celkový tlak je součet parciálních tlaků plynných složek, za předpokladu ideálního chování plynu a žádné chemické reakce mezi složkami. Tento zákon je známý jako Daltonův zákon parciálních tlaků, po anglickém vědci Johnu Daltonovi (1766-1844), který ho navrhl. Daltonův zákon je založen na kinetické teorii, kde každý plyn vytváří svůj tlak molekulárními srážkami, nezávisle na ostatních přítomných plynech. Je to v souladu se skutečností, že tlaky se přidávají podle Pascalova principu. Voda se tak odpařuje a LED sublimuje, když jejich tlaky par převyšují parciální tlak vodní páry v okolní směsi plynů. Pokud jsou jejich tlaky par menší než parciální tlak vodní páry v okolním plynu, tvoří se kapičky kapaliny nebo ledové krystaly (mráz).
zkontrolujte, zda chápete
je přenos energie zapojen do fázové změny? Pokud ano, bude muset být dodána energie, aby se změnila fáze z pevné na kapalnou a kapalnou na plyn? A co plyn na kapalinu a kapalina na pevnou látku? Proč stříkají pomerančovníky vodou na Floridě, když jsou teploty blízko nebo těsně pod bodem mrazu?
řešení
Ano, přenos energie se podílí na fázové změně. Víme, že atomy a molekuly v pevných látkách a kapalinách jsou navzájem vázány, protože víme, že k jejich oddělení je nutná síla. Takže při fázové změně z pevné látky na kapalinu a kapaliny na plyn musí být vyvíjena síla, možná kolizí, k oddělení atomů a molekul. Síla vyvíjená na dálku je práce a energie je potřebná k tomu, aby se práce dostala z pevné látky na kapalinu a kapalinu na plyn. To je intuitivně v souladu s potřebou energie k roztavení ledu nebo varu vody. Konverzace je také pravdivá. Přechod z plynu na kapalinu nebo kapalinu na pevnou látku zahrnuje atomy a molekuly, které se tlačí k sobě, dělají práci a uvolňují energii.
PhET Explorations: Stavy Hmoty—Základy
Heat, cool, a komprimovat atomů a molekul a sledovat, jak se mění mezi pevné, kapalné, a plynné fázi.
kliknutím stáhnete simulaci. Spusťte pomocí Java.
souhrn sekce
- většina látek má tři odlišné fáze: plyn, kapalina a pevná látka.
- fázové změny mezi různými fázemi hmoty závisí na teplotě a tlaku.
- existenci tří fází s ohledem na tlak a teplotu lze popsat ve fázovém diagramu.
- dvě fáze koexistují (tj. jsou v tepelné rovnováze) při souboru tlaků a teplot. Ty jsou popsány jako čára na fázovém diagramu.
- tyto tři fáze koexistují při jediném tlaku a teplotě. Toto je známé jako trojitý bod a je popsáno jediným bodem na fázovém diagramu.
- plyn při teplotě pod bodem varu se nazývá pára.
- tlak par je tlak, při kterém plyn koexistuje se svou pevnou nebo kapalnou fází.
- parciální tlak je tlak, který by plyn vytvořil, kdyby existoval sám.
- Daltonův zákon říká, že celkový tlak je součtem parciálních tlaků všech přítomných plynů.
koncepční otázky
- tlakový hrnec obsahuje vodu a páru v rovnováze při tlaku vyšším, než je atmosférický tlak. Jak tento větší tlak zvyšuje rychlost vaření?
- proč se kondenzace vytváří nejrychleji na nejchladnějším objektu v místnosti-například na sklenici ledové vody?
- jaký je tlak par pevného oxidu uhličitého (suchého ledu) při -78,5 ° C?
obrázek 5. Fázový diagram pro oxid uhličitý. Osy jsou nelineární a graf není v měřítku. Suchý led je pevný oxid uhličitý a má sublimační teplotu -78,5 ° C.
- může být oxid uhličitý zkapalněn při pokojové teplotě (20ºC)? Pokud ano, jak? Pokud ne, proč ne? (Viz obrázek 5)
- kyslík nemůže být zkapalněn při pokojové teplotě umístěním pod dostatečně velký tlak, aby se jeho molekuly spojily. Vysvětlete, proč tomu tak je.
- jaký je rozdíl mezi plynem a párou?
Slovníček pojmů
PV diagram: graf tlak vs. objem
kritický bod: teplota, nad kterou kapalina nemůže existovat
kritická teplota: teplota, nad kterou kapalina nemůže existovat
kritický tlak: minimální tlak potřebný pro tekutý existovat na kritickou teplotu
par: plyn na teplotu pod bodem varu
tlak par: tlak, při kterém plyn koexistuje s jeho pevné nebo kapalné fáze,
phase diagram: graf tlak vs. teplota dané látky, což ukazuje, na které tlaky a teploty tři fáze látky se vyskytují
trojitý bod: tlak a teplota, při které látka existuje v rovnováze jako pevné, kapalné a plynu
sublimace: fázovou změnu z pevné látky na plyn
parciální tlak: tlak plynu by se vytvořit, pokud se umístila na celkovém objemu prostoru k dispozici
daltonův zákon parciálních tlaků: fyzikální zákon, který říká, že celkový tlak plynu je součtem parciálních tlaků plynných složek,