indtil nu har vi overvejet opførelsen af ideelle gasser. Ægte gasser er som ideelle gasser ved høje temperaturer. Ved lavere temperaturer kan interaktionerne mellem molekylerne og deres volumener imidlertid ikke ignoreres. Molekylerne er meget tætte (kondens forekommer), og der er et dramatisk fald i volumen, som det ses i Figur 1. Stoffet skifter fra en gas til en væske. Når en væske afkøles til endnu lavere temperaturer, bliver den et fast stof. Volumenet når aldrig nul på grund af molekylernes endelige volumen.

Figur 1. En skitse af volumen versus temperatur for en reel gas ved konstant tryk. Den lineære (lige linje) del af grafen repræsenterer ideel gasadfærd—volumen og temperatur er direkte og positivt relateret, og linjen ekstrapolerer til nulvolumen ved -273,15 liter eller absolut nul. Når gassen bliver en væske, falder volumenet imidlertid faktisk udfældet ved kondensationspunktet. Volumenet falder en smule, når stoffet er fast, men det bliver aldrig nul.

højt tryk kan også få en gas til at skifte fase til en væske. En gas ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk, men bliver en væske under tilstrækkeligt højt tryk. Hvis trykket reduceres, falder temperaturen, og det flydende kulsyre størkner til et snelignende stof ved temperaturen-78 liter. Fast CO2 kaldes ” tøris.”Et andet eksempel på en gas, der kan være i en flydende fase, er flydende nitrogen (LN2). LN2 er lavet ved kondensering af atmosfærisk luft (gennem kompression og afkøling). Det koger ved 77 K (- 196 liter) ved atmosfærisk tryk. LN2 er nyttigt som kølemiddel og giver mulighed for konservering af blod, sæd og andre biologiske materialer. Det bruges også til at reducere støj i elektroniske sensorer og udstyr og til at hjælpe med at afkøle deres strømførende ledninger. I dermatologi bruges LN2 til at fryse og smertefrit fjerne vorter og andre vækster fra huden.

PV-diagrammer

Vi kan undersøge aspekter af et stofs opførsel ved at tegne en graf over tryk versus volumen, kaldet et PV-diagram. Når stoffet opfører sig som en ideel gas, beskriver den ideelle gaslov forholdet mellem dets tryk og volumen. Det vil sige PV = NkT (ideel gas).

nu, forudsat at antallet af molekyler og temperaturen er fast, PV = konstant (ideel gas, konstant temperatur).

for eksempel vil gasens volumen falde, når trykket stiger. Hvis du plotter forholdet PV = konstant på et PV-diagram, finder du en hyperbola. Figur 2 viser en graf over tryk versus volumen. Hyperbolerne repræsenterer ideel gasadfærd ved forskellige faste temperaturer og kaldes isotermer. Ved lavere temperaturer begynder kurverne at se mindre ud som hyperboler-gassen opfører sig ikke ideelt og kan endda indeholde væske. Der er et kritisk punkt—det vil sige en kritisk temperatur—over hvilken væske ikke kan eksistere. Ved tilstrækkeligt højt tryk over det kritiske punkt vil gassen have tætheden af en væske, men vil ikke kondensere. Kulsyre kan for eksempel ikke flydende ved en temperatur over 31,0 liter. Kritisk tryk er det minimumstryk, der kræves for at væske kan eksistere ved den kritiske temperatur. Tabel 1 viser repræsentative kritiske temperaturer og tryk.

figur 2. PV diagrammer. (A) hver kurve (isotherm) repræsenterer forholdet mellem P og V ved en fast temperatur; de øvre kurver er ved højere temperaturer. De nedre kurver er ikke hyperboler, fordi gassen ikke længere er en ideel gas. (b) en udvidet del af diagrammet for lave temperaturer, hvor fasen kan skifte fra en gas til en væske. Udtrykket” damp ” refererer til gasfasen, når den eksisterer ved en temperatur under kogetemperaturen.

fasediagrammer

plottene for tryk versus temperaturer giver betydelig indsigt i stoffers termiske egenskaber. Der er veldefinerede regioner på disse grafer, der svarer til forskellige faser af stof, så PT-grafer kaldes fasediagrammer. Figur 3 viser fasediagrammet for vand. Ved hjælp af grafen, hvis du kender trykket og temperaturen, kan du bestemme vandfasen. De faste linjer-grænser mellem faser—angiver temperaturer og tryk, hvor faserne eksisterer sammen (dvs.de findes sammen i forhold afhængigt af tryk og temperatur). For eksempel er kogepunktet for vand 100 liter ved 1,00 atm. Når trykket stiger, stiger kogetemperaturen støt til 374 liter ved et tryk på 218 atm. En trykkoger (eller endda en overdækket gryde) vil tilberede mad hurtigere, fordi vandet kan eksistere som en væske ved temperaturer større end 100 liter uden at koge væk. Kurven slutter ved et punkt kaldet det kritiske punkt, fordi væskefasen ved højere temperaturer ikke eksisterer ved noget tryk. Det kritiske punkt forekommer ved den kritiske temperatur, som du kan se for vand fra tabel 1. Den kritiske temperatur for ilt er –118 liter, så ilt kan ikke flydende over denne temperatur.

figur 3. Fasediagrammet (PT-graf) for vand. Bemærk, at akserne er ikke-lineære, og at grafen ikke skaleres. Denne graf er forenklet – der er flere andre eksotiske faser af is ved højere tryk.

tilsvarende giver kurven mellem de faste og flydende regioner i figur 3 smeltetemperaturen ved forskellige tryk. For eksempel er smeltepunktet 0 liter ved 1,00 atm, som forventet. Bemærk, at du ved en fast temperatur kan ændre fasen fra fast (is) til væske (vand) ved at øge trykket. Is smelter fra tryk i hænderne på en sneboldproducent. Fra fasediagrammet kan vi også sige, at isens smeltetemperatur stiger med øget tryk. Når en bil køres over sne, smelter det øgede tryk fra dækkene snefnugene; bagefter fryser vandet og danner et islag.

ved tilstrækkeligt lave tryk er der ingen væskefase, men stoffet kan eksistere som enten gas eller fast stof. For vand er der ingen væskefase ved tryk under 0,00600 atm. Faseændringen fra fast til gas kaldes sublimering. Det tegner sig for store tab af snepakke, der aldrig gør det til en flod, den rutinemæssige automatiske afrimning af en fryser og frysetørringsprocessen anvendt på mange fødevarer. På den anden side sublimerer kulsyre ved standard atmosfærisk tryk på 1 atm. (Den faste form af CO2 er kendt som tøris, fordi den ikke smelter. I stedet bevæger den sig direkte fra det faste stof til gastilstanden.)

alle tre kurver på fasediagrammet mødes på et enkelt punkt, det tredobbelte punkt, hvor alle tre faser findes i ligevægt. For vand forekommer det tredobbelte punkt ved 273,16 K (0.01 liter) og er en mere nøjagtig kalibreringstemperatur end smeltepunktet for vand ved 1,00 atm eller 273,15 K (0,0 liter). Se tabel 2 for triple point-værdierne for andre stoffer.

ligevægt

væske-og gasfaser er i ligevægt ved kogetemperaturen. (Se Figur 4.) Hvis et stof er i en lukket beholder ved kogepunktet, koger væsken, og gassen kondenserer med samme hastighed uden nettoændring i deres relative mængde. Molekyler i væsken undslipper som en gas med samme hastighed, hvormed gasmolekyler klæber til væsken eller danner dråber og bliver en del af væskefasen. Kombinationen af temperatur og tryk skal være “lige rigtigt”; hvis temperaturen og trykket øges, opretholdes ligevægten ved den samme stigning i kognings-og kondensationshastigheder.

figur 4. Ligevægt mellem væske og gas ved to forskellige kogepunkter inde i en lukket beholder. (a) kognings-og kondensationshastighederne er ens ved denne kombination af temperatur og tryk, så væske-og gasfaserne er i ligevægt. (B) ved en højere temperatur er kogehastigheden hurtigere, og de hastigheder, hvormed molekyler forlader væsken og kommer ind i gassen, er også hurtigere. Fordi der er flere molekyler i gassen, er gastrykket højere, og den hastighed, hvormed gasmolekyler kondenserer og kommer ind i væsken, er hurtigere. Som et resultat er gas og væske i ligevægt ved denne højere temperatur.

One example of equilibrium between liquid and gas is that of water and steam at 100ºC and 1.00 atm. Denne temperatur er kogepunktet ved det tryk, så de skal eksistere i ligevægt. Hvorfor koger en åben gryde med vand ved 100 liter helt væk? Gassen omkring en åben gryde er ikke rent vand: det blandes med luft. Hvis rent vand og damp er i en lukket beholder ved 100 liter og 1,00 atm, ville de eksistere sammen—men med luft over gryden er der færre vandmolekyler at kondensere, og vand koger. Hvad med vand på 20,0 liter og 1,00 atm? Denne temperatur og tryk svarer til væskeområdet, men et åbent glas vand ved denne temperatur vil helt fordampe. Igen er gassen omkring den luft og ikke ren vanddamp, så den reducerede fordampningshastighed er større end kondensationshastigheden for vand fra tør luft. Hvis glasset er forseglet, forbliver væskefasen. Vi kalder gasfasen en damp, når den eksisterer, som den gør for vand ved 20,0 liter, ved en temperatur under kogetemperaturen.

damptryk, partialtryk og Daltons lov

damptryk defineres som det tryk, ved hvilket en gas eksisterer sammen med dens faste eller flydende fase. Damptryk skabes af hurtigere molekyler, der bryder væk fra væsken eller det faste stof og går ind i gasfasen. Damptrykket af et stof afhænger af både stoffet og dets temperatur—en stigning i temperaturen øger damptrykket.

partialtryk defineres som det tryk, en gas ville skabe, hvis den besatte det samlede tilgængelige volumen. I en blanding af gasser er det samlede tryk summen af deltryk af komponentgasserne under forudsætning af ideel gasadfærd og ingen kemiske reaktioner mellem komponenterne. Denne lov er kendt som Daltons lov om delvis pres efter den engelske videnskabsmand John Dalton (1766-1844), der foreslog den. Daltons lov er baseret på kinetisk teori, hvor hver gas skaber sit tryk ved molekylære kollisioner uafhængigt af andre tilstedeværende gasser. Det er i overensstemmelse med det faktum, at pres tilføjer i henhold til Pascals princip. Således fordamper vand og is sublimerer, når deres damptryk overstiger det delvise tryk af vanddamp i den omgivende blanding af gasser. Hvis deres damptryk er mindre end det delvise tryk af vanddamp i den omgivende gas, dannes flydende dråber eller iskrystaller (frost).

PhET-undersøgelser: Tilstander af materie-Basics

varme, køle og komprimere atomer og molekyler og se, når de skifter mellem faste, flydende og gasfaser.

Klik for at hente simuleringen. Kør ved hjælp af Java.

Sektionsoversigt

• de fleste stoffer har tre forskellige faser: gas, væske og fast stof.
• faseændringer mellem de forskellige faser af stof afhænger af temperatur og tryk.
• eksistensen af de tre faser med hensyn til tryk og temperatur kan beskrives i et fasediagram.
• to faser sameksisterer (dvs.de er i termisk ligevægt) ved et sæt tryk og temperaturer. Disse beskrives som en linje på et fasediagram.
• de tre faser sameksisterer ved et enkelt tryk og temperatur. Dette er kendt som det tredobbelte punkt og beskrives af et enkelt punkt på et fasediagram.
• en gas ved en temperatur under kogepunktet kaldes en damp.
• damptryk er det tryk, hvor en gas sameksisterer med sin faste eller flydende fase.
• partialtryk er det tryk, en gas ville skabe, hvis den eksisterede alene.
• Daltons lov siger, at det samlede tryk er summen af partialtrykket af alle de tilstedeværende gasser.

ordliste

PV-diagram: en graf over tryk vs. volumen

kritisk punkt: den temperatur, over hvilken en væske ikke kan eksistere

kritisk temperatur: den temperatur, over hvilken en væske ikke kan eksistere

kritisk tryk: det mindste tryk, der er nødvendigt for, at en væske kan eksistere ved den kritiske temperatur

damp: en gas ved en temperatur under kogetemperaturen

damptryk: det tryk, ved hvilket en gas sameksisterer med sin faste eller flydende fase

fasediagram: en graf over tryk vs. temperatur af et bestemt stof, der viser, ved hvilke tryk og temperaturer de tre faser af stoffet forekommer

triple point: det tryk og den temperatur, ved hvilket et stof findes i ligevægt som et fast stof, væske og gas

sublimering: faseændringen fra fast stof til gas

partialtryk: det tryk, en gas ville skabe, hvis den besatte det samlede rumfang

Daltons lov om partialtryk: den fysiske lov, der siger, at det samlede tryk på en gas er summen af partialtryk af komponenten gasser