oppimistavoitteet
tämän osion loppuun mennessä pystyt:
- tulkitsemaan faasidiagrammin.
- State Daltonin laista.
- Tunnista ja kuvaa kaasun kolmoispiste sen faasidiagrammista.
- kuvaa tasapainotilaa nesteen ja kaasun, nesteen ja kiinteän aineen sekä kaasun ja kiinteän aineen välillä.
tähän asti on pohdittu ideaalikaasujen käyttäytymistä. Todelliset kaasut ovat korkeissa lämpötiloissa kuin ideaalikaasuja. Matalammissa lämpötiloissa molekyylien ja niiden tilavuuksien välisiä vuorovaikutuksia ei kuitenkaan voida sivuuttaa. Molekyylit ovat hyvin lähellä (tiivistyminen tapahtuu) ja tilavuus vähenee dramaattisesti, kuten kuvassa 1. Aine muuttuu kaasusta nesteeksi. Kun nestettä jäähdytetään vielä matalampiin lämpötiloihin, siitä tulee kiinteä aine. Tilavuus ei koskaan saavuta Nollaa molekyylien äärellisen tilavuuden vuoksi.
kuva 1. Luonnos oikean kaasun tilavuudesta ja lämpötilasta vakiopaineessa. Kaavion lineaarinen (suora viiva) osa edustaa ideaalikaasun käyttäytymistä—tilavuus ja lämpötila ovat suoraan ja positiivisesti yhteydessä toisiinsa ja linja ekstrapoloi nollatilavuuteen -273.15 ºC: ssa eli absoluuttiseen nollaan. Kun kaasu muuttuu nesteeksi, sen tilavuus kuitenkin itse asiassa pienenee voimakkaasti nesteytyspisteessä. Tilavuus pienenee hieman, kun aine on kiinteää, mutta se ei koskaan muutu nollaksi.
korkea paine voi myös aiheuttaa kaasun faasin muuttumisen nesteeksi. Esimerkiksi hiilidioksidi on kaasu huoneenlämmössä ja ilmanpaineessa, mutta muuttuu nesteeksi riittävän korkeassa paineessa. Jos paine laskee, lämpötila laskee ja nestemäinen hiilidioksidi jähmettyy lumimaiseksi aineeksi lämpötilassa-78ºC. Kiinteää CO2: ta kutsutaan ”kuivajääksi.”Toinen esimerkki kaasusta, joka voi olla nestefaasissa, on nestemäinen typpi (LN2). LN2 valmistetaan nesteyttämällä ilmakehän ilmaa (puristuksen ja jäähdytyksen avulla). Se kiehuu 77 K (-196ºC) lämpötilassa ilmanpaineessa. LN2 on hyödyllinen kylmäaineena ja mahdollistaa veren, sperman ja muiden biologisten materiaalien säilymisen. Sitä käytetään myös elektronisten antureiden ja laitteiden melun vähentämiseen sekä niiden virtaa kuljettavien johtojen jäähdyttämiseen. Dermatologiassa LN2: ta käytetään pakastamiseen ja kivuttomasti syylien ja muiden kasvainten poistamiseen iholta.
PV-diagrammit
voimme tutkia aineen käyttäytymistä piirtämällä paineen ja tilavuuden kuvaajan, jota kutsutaan PV-diagrammiksi. Kun aine käyttäytyy ideaalikaasun tavoin, ideaalikaasulaki kuvaa sen paineen ja tilavuuden suhdetta. Toisin sanoen PV = NKT (ideaalikaasu).
nyt, olettaen molekyylien lukumäärän ja lämpötilan olevan kiinteä, pv = vakio (ideaalikaasu, vakio lämpötila).
esimerkiksi kaasun tilavuus pienenee paineen kasvaessa. Jos piirrät suhteen PV = vakio PV-kaaviossa, löydät hyperbelin. Kuvassa 2 on kaavio paineesta ja tilavuudesta. Hyperbelit edustavat ideaalikaasujen käyttäytymistä eri kiinteissä lämpötiloissa, ja niitä kutsutaan isotermeiksi. Matalammissa lämpötiloissa käyrät alkavat näyttää vähemmän hyperboloilta-kaasu ei käyttäydy ihanteellisesti ja saattaa sisältää jopa nestettä. On olemassa kriittinen piste—eli kriittinen lämpötila—jonka yläpuolella nestettä ei voi olla. Riittävän korkeassa paineessa kriittisen pisteen yläpuolella kaasulla on nesteen tiheys, mutta se ei tiivisty. Esimerkiksi hiilidioksidia ei voi nesteyttää yli 31,0 ºC: n lämpötilassa. Kriittinen paine on vähimmäispaine, joka tarvitaan nesteen olemassaoloon kriittisessä lämpötilassa. Taulukossa 1 luetellaan edustavat kriittiset lämpötilat ja paineet.
kuva 2. PV-diagrammit. (a) jokainen käyrä (isotermi) kuvaa P: n ja V: n suhdetta kiinteässä lämpötilassa; yläkäyrät ovat korkeammissa lämpötiloissa. Matalammat käyrät eivät ole hyperboloja, koska kaasu ei ole enää ideaalikaasu. (b) kaavion laajennettu osa alhaisissa lämpötiloissa, joissa faasi voi muuttua kaasusta nesteeksi. Termillä ”höyry” tarkoitetaan kaasufaasia silloin, kun se on olemassa kiehumislämpötilaa alhaisemmassa lämpötilassa.
| Taulukko 1. Kriittiset lämpötilat ja paineet | ||||
|---|---|---|---|---|
| aine | kriittinen paine | |||
| K | ºC | pa | ATM | |
| vesi | 374, 3 | 22, 12 × 106 | 219, 0 | |
| rikkidioksidi | 430, 7 | 157, 6 | 7, 88 × 106 | 78, 0 |
| ammoniakki | 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 |
Faasikaaviot
paine-ja lämpötilakaaviot antavat huomattavan kuvan aineiden lämpöominaisuuksista. Näissä kuvaajissa on hyvin määriteltyjä alueita, jotka vastaavat aineen eri vaiheita, joten PT-kuvaajia kutsutaan faasidiagrammeiksi. Kuvassa 3 esitetään veden faasidiagrammi. Kuvaajan avulla, jos tiedät paineen ja lämpötilan, voit määrittää veden vaiheen. Kiinteät viivat—faasien väliset rajat-ilmaisevat lämpötiloja ja paineita, joissa faasit ovat rinnakkain (toisin sanoen ne ovat olemassa yhdessä suhteessa, riippuen paineesta ja lämpötilasta). Esimerkiksi veden kiehumispiste on 100ºC klo 1.00 atm. Paineen kasvaessa kiehumislämpötila nousee tasaisesti 374ºC: een 218 atm: n paineessa. Painekattila (tai jopa katettu kattila) valmistaa ruoan nopeammin, koska vesi voi olla nesteenä yli 100 asteen lämpötilassa ilman, että kaikki kiehuu pois. Käyrä päättyy pisteeseen, jota kutsutaan kriittiseksi pisteeksi, koska korkeammissa lämpötiloissa nestefaasia ei ole missään paineessa. Kriittinen piste tapahtuu kriittisessä lämpötilassa, kuten näet veden osalta taulukosta 1. Hapen kriittinen lämpötila on –118ºc, joten happea ei voi nesteyttää tämän lämpötilan yläpuolella.
kuva 3. Veden faasidiagrammi (PT-kaavio). Huomaa, että akselit ovat epälineaarisia ja kuvaaja ei ole mittakaavassa. Tämä kaavio on yksinkertaistettu-on olemassa useita muita eksoottisia vaiheita jään korkeammissa paineissa.
vastaavasti kuvan 3 kiinteiden ja nestemäisten alueiden välinen käyrä antaa sulamislämpötilan eri paineissa. Esimerkiksi sulamispiste on odotetusti 0ºC kello 1.00 atm. Huomaa, että kiinteässä lämpötilassa voit muuttaa faasin kiinteästä (jäästä) nestemäiseksi (vesi) nostamalla painetta. Jää sulaa paineesta lumipallovalmistajan käsissä. Faasidiagrammista voidaan myös sanoa, että jään sulamislämpötila nousee paineen kasvaessa. Kun autolla ajetaan lumen yli, renkaiden lisääntynyt paine sulattaa Lumihiutaleet; sen jälkeen vesi uusiutuu ja muodostaa jääkerroksen.
riittävän alhaisissa paineissa ei ole nestefaasia, vaan aine voi esiintyä joko kaasuna tai kiinteänä. Vedelle ei ole nestefaasia alle 0,00600 atm paineessa. Faasimuutosta kiinteästä kaasusta kutsutaan sublimaatioksi. Se selittää suuret lumipakkausten menetykset, jotka eivät koskaan pääse jokeen, pakastimen rutiininomaisen automaattisen sulattamisen ja moniin elintarvikkeisiin sovellettavan pakastekuivauksen. Hiilidioksidi puolestaan sublimoituu vakioilmanpaineessa 1 atm. (Hiilidioksidin kiinteää muotoa kutsutaan kuivajääksi, koska se ei sula. Sen sijaan se siirtyy suoraan kiintoaineesta kaasutilaan.)
kaikki faasikaavion kolme käyrää kohtaavat yhdessä pisteessä, kolmoispisteessä, jossa kaikki kolme vaihetta ovat tasapainossa. Veden kohdalla kolmoispiste esiintyy 273,16 K (0.01ºC), ja on tarkempi kalibrointilämpötila kuin veden sulamispiste 1,00 atm eli 273,15 K (0,0 ºC). KS. taulukossa 2 muiden aineiden kolmipistearvot.
tasapainotila
neste-ja kaasufaasit ovat tasapainossa kiehumislämpötilassa. (KS. Kuva 4.) Jos aine on suljetussa astiassa kiehumispisteessä, neste kiehuu ja kaasu tiivistyy samalla nopeudella ilman niiden suhteellisen määrän nettomuutosta. Nesteessä olevat molekyylit karkaavat kaasuna samalla nopeudella, jolla kaasumolekyylit tarttuvat nesteeseen eli muodostavat pisaroita ja tulevat osaksi nestefaasia. Lämpötilan ja paineen yhdistelmän on oltava ”juuri oikea”; jos lämpötilaa ja painetta nostetaan, tasapaino säilyy samalla kiehumisnopeuden ja tiivistymisnopeuden nousulla.
Kuvassa 4. Nesteen ja kaasun välinen tasapaino kahdessa eri kiehumispisteessä suljetussa astiassa. (a) kiehumis-ja tiivistymisnopeudet ovat yhtä suuret tässä lämpötilan ja paineen yhdistelmässä, joten neste-ja kaasufaasit ovat tasapainossa. B) korkeammassa lämpötilassa kiehumisnopeus on nopeampi ja myös molekyylien poistumisnopeudet nesteestä kaasuun ovat nopeampia. Koska kaasussa on enemmän molekyylejä, kaasun paine on suurempi ja nopeus, jolla kaasumolekyylit tiivistyvät ja pääsevät nesteeseen, on nopeampi. Tämän seurauksena kaasu ja neste ovat tasapainossa tässä korkeammassa lämpötilassa.
| Taulukko 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. Tämä lämpötila on kiehumispiste tuossa paineessa, joten niiden pitäisi olla tasapainossa. Miksi avoin 100ºc: n vesikannu kiehuu kokonaan pois? Avoimen kattilan ympärillä oleva kaasu ei ole puhdasta vettä, vaan se sekoittuu ilmaan. Jos puhdas vesi ja höyry ovat suljetussa säiliössä 100ºc ja 1.00 atm, ne olisivat rinnakkain—mutta ilman kanssa potin, on vähemmän vesimolekyylejä tiivistyä, ja vesi kiehuu. Entä vesi 20 ° C: ssa ja 1.00 atm: ssä? Tämä lämpötila ja paine vastaavat nestemäistä aluetta, mutta avoin lasi vettä tässä lämpötilassa haihtuu täysin. Jälleen sen ympärillä oleva kaasu on ilmaa eikä puhdasta vesihöyryä, joten vähentynyt Haihtumisnopeus on suurempi kuin veden tiivistymisnopeus kuivasta ilmasta. Jos lasi on suljettu, nestefaasi säilyy. Kutsumme kaasufaasia höyryksi, kun se on olemassa, kuten se tekee vedelle 20,0 ºC: ssa, kiehumislämpötilan alapuolella.
Tarkista ymmärryksesi
selitä, miksi kupillinen vettä (tai soodaa) jääpaloineen pysyy 0ºC: ssa jopa kuumana kesäpäivänä.
liuos
jää ja nestemäinen vesi ovat termisessä tasapainossa siten, että lämpötila pysyy jäätymislämpötilassa niin kauan kuin jää pysyy nesteessä. (Kun kaikki jää sulaa, veden lämpötila alkaa nousta.)
Höyrynpaine, osapaine ja Daltonin laki
Höyrynpaine määritellään paineeksi, jossa kaasu elää rinnakkain kiinteän tai nestemäisen faasinsa kanssa. Höyrynpaine syntyy nopeammista molekyyleistä, jotka irtautuvat nesteestä tai kiinteästä ja siirtyvät kaasufaasiin. Aineen höyrynpaine riippuu sekä aineesta että sen lämpötilasta—lämpötilan nousu lisää höyrynpainetta.
osapaine määritellään paineeksi, jonka kaasu aiheuttaisi, jos sillä olisi käytettävissä oleva kokonaistilavuus. Kaasuseoksessa kokonaispaine on komponenttikaasujen osapaineiden summa olettaen ideaalikaasujen käyttäytymistä eikä komponenttien välillä ole kemiallisia reaktioita. Tämä laki tunnetaan Daltonin osapaineiden lakina englantilaisen tiedemiehen John Daltonin (1766-1844) mukaan, joka sitä ehdotti. Daltonin laki perustuu kineettiseen teoriaan, jossa jokainen kaasu luo paineensa molekyylitörmäyksillä riippumatta muista läsnä olevista kaasuista. Se on sopusoinnussa sen kanssa, että paineet lisääntyvät Pascalin periaatteen mukaan. Näin vesi haihtuu ja jää sublimoituu, kun niiden höyrynpaine ylittää vesihöyryn osapaineen ympäröivässä kaasuseoksessa. Jos niiden höyrynpaine on pienempi kuin ympäröivän kaasun vesihöyryn osapaine, muodostuu nestepisaroita tai jääkiteitä (huurretta).
Tarkista ymmärryksesi
onko energian siirto mukana faasimuutoksessa? Jos näin on, täytyykö energiaa toimittaa faasin muuttamiseksi kiinteästä nesteeksi ja nesteestä kaasuksi? Entä kaasu nesteeksi ja neste kiinteäksi? Miksi appelsiinipuihin suihkutetaan vettä Floridassa, kun lämpötila on lähellä tai hieman pakkasen puolella?
ratkaisu
Kyllä, energian siirto liittyy faasimuutokseen. Tiedämme, että kiinteiden aineiden ja nesteiden atomit ja molekyylit ovat sitoutuneet toisiinsa, koska tiedämme, että niiden erottamiseen tarvitaan voimaa. Kun siis faasimuutos tapahtuu kiinteästä nesteestä ja nesteestä kaasuksi, atomien ja molekyylien erottamiseen on kohdistettava voima, kenties törmäyksen voimasta. Etäisyyden läpi kohdistuva voima on työtä, ja työhön tarvitaan energiaa, jotta voidaan siirtyä kiinteästä nesteeseen ja nesteestä kaasuun. Tämä vastaa intuitiivisesti energian tarvetta jään sulattamiseen tai veden keittämiseen. Myös päinvastainen on totta. Siirtyminen kaasusta nesteeksi tai nesteestä kiinteäksi tapahtuu siten, että atomit ja molekyylit työntyvät yhteen, tekevät työtä ja vapauttavat energiaa.
PhET Explorations: States of Matter-Basics
Heat, cool, and compress atoms and molecules and watch as they change between solid, liquid, and gas faass.
Lataa simulaatio napsauttamalla. Suorita Java – ohjelmalla.
Sektion Yhteenveto
- useimmilla aineilla on kolme erillistä faasia: kaasu, neste ja kiinteä aine.
- aineen eri faasien väliset Faasimuutokset riippuvat lämpötilasta ja paineesta.
- kolmen faasin olemassaolo paineen ja lämpötilan suhteen voidaan kuvata faasidiagrammilla.
- kaksi faasia elää rinnakkain (eli ne ovat lämpötasapainossa) paineessa ja lämpötilassa. Nämä kuvataan faasidiagrammin viivaksi.
- kolme vaihetta elävät rinnakkain samassa paineessa ja lämpötilassa. Tätä kutsutaan kolmoispisteeksi ja sitä kuvataan yhdellä pisteellä faasidiagrammissa.
- kiehumispisteensä alapuolella olevaa kaasua kutsutaan höyryksi.
- höyrynpaine on paine, jossa kaasu elää rinnakkain kiinteän tai nestemäisen faasinsa kanssa.
- osapaine on paine, jonka kaasu loisi, jos se olisi olemassa yksin.
- Daltonin lain mukaan kokonaispaine on kaikkien läsnä olevien kaasujen osapaineiden summa.
käsitteelliset kysymykset
- painekattila sisältää vettä ja höyryä tasapainotilassa ilmanpainetta suuremmassa paineessa. Miten tämä suurempi paine lisää keittonopeutta?
- miksi tiivistymistä muodostuu nopeimmin huoneen kylmimpään kohteeseen—esimerkiksi jäävesilasiin?
- mikä on kiinteän hiilidioksidin (kuivajään) höyrynpaine -78,5 ºC: ssa?
kuva 5. Hiilidioksidin faasidiagrammi. Akselit ovat epälineaarisia, eikä kuvaaja ole skaalautuva. Kuivajää on kiinteää hiilidioksidia ja sen sublimaatiolämpötila on -78,5 ºC.
- Voiko hiilidioksidi nesteytyä huoneenlämmössä (20ºC)? Jos on, niin miten? Jos ei, niin miksi ei? (KS. kuva 5)
- happi ei voi nesteytyä huoneenlämmössä asettamalla sitä riittävän suureen paineeseen pakottaakseen molekyylinsä yhteen. Selitä, mistä tämä johtuu.
- mikä on kaasun ja höyryn ero?
Sanasto
PV-kaavio: kaavio paineesta vs. tilavuus
kriittinen piste: lämpötila, jonka yläpuolella nestettä ei voi olla
kriittinen lämpötila: lämpötila, jonka yläpuolella nestettä ei voi olla
kriittinen paine: vähimmäispaine, jota tarvitaan nesteen olemassaoloon kriittisessä lämpötilassa
höyry: kaasu lämpötilassa, joka on alle kiehumislämpötilan
höyrynpaine: paine, jossa kaasu esiintyy samanaikaisesti kiinteän tai nestemäisen faasinsa
faasidiagrammi: kaavio paineesta vs. tietyn aineen lämpötila, josta käy ilmi, missä paineissa ja lämpötiloissa aineen kolme faasia esiintyvät
kolmoispiste: paine ja lämpötila, jossa aine esiintyy tasapainotilassa kiinteänä, nestemäisenä ja kaasuna
sublimaatio: faasimuutos kiinteästä kaasusta
osapaine: paine, jonka kaasu loisi, jos se miehittäisi käytettävissä olevan tilan kokonaistilavuuden
Daltonin osapaineiden laki: fysikaalinen laki, jonka mukaan kaasun kokonaispaine on komponentin osapaineiden summa kaasut