inlärningsmål
i slutet av detta avsnitt kommer du att kunna:
- tolka ett fasdiagram.
- ange Daltons lag.
- identifiera och beskriv trippelpunkten för en gas från dess fasdiagram.
- beskriv jämviktstillståndet mellan en vätska och en gas, en vätska och en fast substans och en gas och en fast substans.
hittills har vi övervägt beteendet hos ideala gaser. Verkliga gaser är som idealiska gaser vid höga temperaturer. Vid lägre temperaturer kan dock interaktionerna mellan molekylerna och deras volymer inte ignoreras. Molekylerna är mycket nära (kondens uppstår) och det finns en dramatisk minskning av volymen, vilket ses i Figur 1. Ämnet ändras från en gas till en vätska. När en vätska kyls till ännu lägre temperaturer blir den fast. Volymen når aldrig noll på grund av molekylernas ändliga volym.
Figur 1. En skiss av volym kontra temperatur för en verklig gas vid konstant tryck. Den linjära (raka linjen) delen av grafen representerar idealiskt gasbeteende—volym och temperatur är direkt och positivt relaterade och linjen extrapolerar till nollvolym vid -273.15 UCC, eller absolut noll. När gasen blir en vätska minskar emellertid volymen faktiskt utfällt vid likriktningspunkten. Volymen minskar något när ämnet är fast, men det blir aldrig noll.
högt tryck kan också orsaka att en gas byter fas till en vätska. Koldioxid är till exempel en gas vid rumstemperatur och atmosfärstryck, men blir en vätska under tillräckligt högt tryck. Om trycket reduceras sjunker temperaturen och den flytande koldioxiden stelnar till en snöliknande substans vid temperaturen-78 OZCC. Solid CO2 kallas ” torris.”Ett annat exempel på en gas som kan vara i en vätskefas är flytande kväve (LN2). LN2 tillverkas genom flytning av atmosfärisk luft (genom kompression och kylning). Det kokar vid 77 K (- 196 OCCC) vid atmosfärstryck. LN2 är användbart som köldmedium och möjliggör bevarande av blod, spermier och andra biologiska material. Det används också för att minska buller i elektroniska sensorer och utrustning, och för att hjälpa till att kyla ner sina strömförande ledningar. I dermatologi används LN2 för att frysa och smärtfritt ta bort vårtor och andra tillväxter från huden.
PV-Diagram
Vi kan undersöka aspekter av ett ämnes beteende genom att plotta ett diagram över tryck kontra volym, kallat ett PV-diagram. När ämnet beter sig som en idealisk gas beskriver den ideala gaslagen förhållandet mellan dess tryck och volym. Det vill säga PV = nkt (idealisk gas).
nu, förutsatt att antalet molekyler och temperaturen är fasta, PV = konstant (idealisk gas, konstant temperatur).
till exempel kommer gasvolymen att minska när trycket ökar. Om du plottar förhållandet PV = konstant på ett PV-diagram hittar du en hyperbola. Figur 2 visar ett diagram över tryck kontra volym. Hyperbolorna representerar idealgasbeteende vid olika fasta temperaturer och kallas isotermer. Vid lägre temperaturer börjar kurvorna se mindre ut som hyperbolor—gasen beter sig inte idealiskt och kan till och med innehålla vätska. Det finns en kritisk punkt—det vill säga en kritisk temperatur—över vilken vätska inte kan existera. Vid tillräckligt högt tryck över den kritiska punkten kommer gasen att ha densiteten hos en vätska men kondenserar inte. Koldioxid, till exempel, kan inte kondenseras vid en temperatur över 31,0 CGC. Kritiskt tryck är det minsta tryck som behövs för att vätska ska existera vid den kritiska temperaturen. Tabell 1 visar representativa kritiska temperaturer och tryck.
Figur 2. PV-diagram. (a) varje kurva (isoterm) representerar förhållandet mellan P och V vid en fast temperatur; de övre kurvorna är vid högre temperaturer. De nedre kurvorna är inte hyperbolor, eftersom gasen inte längre är en idealisk gas. (b) en expanderad del av diagrammet för låga temperaturer, där fasen kan ändras från en gas till en vätska. Termen” ånga ” avser gasfasen när den existerar vid en temperatur under koktemperaturen.
| Tabell 1. Kritiska temperaturer och tryck | ämne | kritisk temperatur | kritiskt tryck | c | pa | ATM |
|---|---|---|---|---|
| vatten | 647,4 | 374,3 | 22,12 106 | 219,0 |
| svaveldioxid | 430,7 | 157,6 | 7,88 106 | 78,0 |
| ammoniak | 405,5 | 132,4 | 11,28 106 1/td> | 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 |
fasdiagram
tryckdiagrammen mot temperaturer ger betydande inblick i ämnens termiska egenskaper. Det finns väldefinierade regioner på dessa grafer som motsvarar olika faser av materia, så PT-grafer kallas fasdiagram. Figur 3 visar fasdiagrammet för vatten. Med hjälp av grafen, om du känner till tryck och temperatur kan du bestämma fasen av vatten. De fasta linjerna-gränser mellan faser—indikerar temperaturer och tryck vid vilka faserna samexisterar (det vill säga de existerar tillsammans i förhållanden, beroende på tryck och temperatur). Till exempel är kokpunkten för vatten 100 OCCC vid 1,00 atm. När trycket ökar stiger koktemperaturen stadigt till 374 CGC vid ett tryck på 218 atm. En tryckkokare (eller till och med en täckt kruka) kommer att laga mat snabbare eftersom vattnet kan existera som en vätska vid temperaturer större än 100 CCC utan att alla kokar bort. Kurvan slutar vid en punkt som kallas den kritiska punkten, eftersom vätskefasen vid högre temperaturer inte existerar vid något tryck. Den kritiska punkten inträffar vid den kritiska temperaturen, som du kan se för vatten från Tabell 1. Den kritiska temperaturen för syre är-118 CCC, så syre kan inte kondenseras över denna temperatur.
Figur 3. Fasdiagrammet (PT graph) för vatten. Observera att axlarna är olinjära och att grafen inte ska skalas. Denna graf förenklas-det finns flera andra exotiska faser av IS vid högre tryck.
på samma sätt ger kurvan mellan de fasta och flytande regionerna i Figur 3 smälttemperaturen vid olika tryck. Till exempel är smältpunkten 0 OZCC vid 1,00 atm, som förväntat. Observera att vid en fast temperatur kan du ändra fasen från fast (is) till vätska (vatten) genom att öka trycket. Is smälter från tryck i händerna på en snöbollstillverkare. Från fasdiagrammet kan vi också säga att isens smälttemperatur stiger med ökat tryck. När en bil körs över snö smälter det ökade trycket från däcken snöflingorna; efteråt fryser vattnet och bildar ett islager.
vid tillräckligt låga tryck finns det ingen vätskefas, men ämnet kan existera som antingen gas eller fast ämne. För vatten finns det ingen vätskefas vid tryck under 0,00600 atm. Fasförändringen från fast till gas kallas sublimering. Det står för stora förluster av snöpaket som aldrig gör det till en flod, den rutinmässiga automatiska avfrostningen av en frys och frystorkningsprocessen som tillämpas på många livsmedel. Koldioxid sublimerar å andra sidan vid standard atmosfärstryck på 1 atm. (Den fasta formen av CO2 är känd som torris eftersom den inte smälter. Istället rör det sig direkt från det fasta till gastillståndet.)
alla tre kurvorna på fasdiagrammet möts vid en enda punkt, trippelpunkten, där alla tre faserna finns i jämvikt. För vatten uppträder trippelpunkten vid 273,16 K (0.01 CI CC), och är en mer exakt kalibreringstemperatur än smältpunkten för vatten vid 1,00 atm, eller 273,15 K (0,0 CI CC). Se Tabell 2 för trippelpunktsvärdena för andra ämnen.
jämvikt
vätske-och gasfaser är i jämvikt vid kokpunkten. (Se Figur 4.) Om ett ämne befinner sig i en sluten behållare vid kokpunkten, kokar vätskan och gasen kondenserar i samma takt utan nettoförändring i deras relativa mängd. Molekyler i vätskan flyr som en gas med samma hastighet vid vilken gasmolekyler håller fast vid vätskan eller bildar droppar och blir en del av vätskefasen. Kombinationen av temperatur och tryck måste vara ”precis rätt”; om temperaturen och trycket ökas bibehålls jämvikten genom samma ökning av koknings-och kondensationshastigheter.
Figur 4. Jämvikt mellan vätska och gas vid två olika kokpunkter inuti en sluten behållare. (a) koknings-och kondensationshastigheten är lika vid denna kombination av temperatur och tryck, så vätske-och gasfaserna är i jämvikt. (b) vid en högre temperatur är kokhastigheten snabbare och de hastigheter vid vilka molekyler lämnar vätskan och kommer in i gasen är också snabbare. Eftersom det finns fler molekyler i gasen är gastrycket högre och hastigheten vid vilken gasmolekyler kondenserar och kommer in i vätskan är snabbare. Som ett resultat är gasen och vätskan i jämvikt vid denna högre temperatur.
| Tabell 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. Denna temperatur är kokpunkten vid det trycket, så de borde existera i jämvikt. Varför kokar en öppen kruka med vatten vid 100 OCCC helt bort? Gasen som omger en öppen kruka är inte rent vatten: det blandas med luft. Om rent vatten och ånga finns i en sluten behållare vid 100 CCC och 1,00 atm, skulle de samexistera—men med luft över potten finns det färre vattenmolekyler att kondensera och vatten kokar. Vad sägs om vatten vid 20.0 UCC och 1.00 atm? Denna temperatur och tryck motsvarar vätskeområdet, men ett öppet glas vatten vid denna temperatur kommer helt att förångas. Återigen är gasen runt den luft och inte ren vattenånga, så att den reducerade avdunstningshastigheten är större än kondensationshastigheten för vatten från torr luft. Om glaset är förseglat kvarstår vätskefasen. Vi kallar gasfasen en ånga när den existerar, som den gör för vatten vid 20,0 OCCC, vid en temperatur under kokningstemperaturen.
kontrollera din förståelse
förklara varför en kopp vatten (eller läsk) med isbitar stannar vid 0 UCC, även på en varm sommardag.
lösning
isen och flytande vatten är i termisk jämvikt, så att temperaturen stannar vid frysningstemperaturen så länge isen förblir i vätskan. (När all is smälter börjar vattentemperaturen stiga.)
ångtryck, partialtryck och Daltons lag
ångtryck definieras som det tryck vid vilket en gas samexisterar med sin fasta eller flytande fas. Ångtrycket skapas av snabbare molekyler som bryter sig bort från vätskan eller det fasta ämnet och går in i gasfasen. Ett ämnes ångtryck beror på både ämnet och dess temperatur—en ökning av temperaturen ökar ångtrycket.
partialtryck definieras som det tryck som en gas skulle skapa om den upptog den totala tillgängliga volymen. I en blandning av gaser är det totala trycket summan av deltryck av komponentgaserna, förutsatt idealiskt gasbeteende och inga kemiska reaktioner mellan komponenterna. Denna lag är känd som Daltons lag om partiellt tryck, efter den engelska forskaren John Dalton (1766-1844), som föreslog det. Daltons lag bygger på kinetisk teori, där varje gas skapar sitt tryck genom molekylära kollisioner, oberoende av andra närvarande gaser. Det överensstämmer med det faktum att tryck lägger till enligt Pascals princip. Således avdunstar vatten och is sublimerar när deras ångtryck överstiger partialtrycket av vattenånga i den omgivande blandningen av gaser. Om deras ångtryck är mindre än partialtrycket av vattenånga i den omgivande gasen, bildas vätskedroppar eller iskristaller (frost).
kontrollera din förståelse
är energiöverföring involverad i en fasförändring? Om så är fallet, måste energi levereras för att byta fas från fast till flytande och flytande till gas? Vad sägs om gas till vätska och vätska till fast? Varför sprutar de apelsinträd med vatten i Florida när temperaturen är nära eller strax under frysning?
lösning
Ja, energiöverföring är involverad i en fasförändring. Vi vet att atomer och molekyler i fasta ämnen och vätskor är bundna till varandra eftersom vi vet att kraft krävs för att separera dem. Så i en fasförändring från fast till flytande och flytande till gas måste en kraft utövas, kanske genom kollision, för att separera atomer och molekyler. Kraft som utövas genom avstånd är arbete, och energi behövs för att göra arbete för att gå från fast till flytande och flytande till gas. Detta överensstämmer intuitivt med behovet av energi för att smälta is eller koka vatten. Det omvända är också sant. Att gå från gas till vätska eller vätska till fast ämne innebär att atomer och molekyler pressar ihop, gör arbete och släpper ut energi.
Phet Explorations: Materiens tillstånd-grunderna
värme, kyla och komprimera atomer och molekyler och titta på när de förändras mellan fasta, flytande och gasfaser.
Klicka för att ladda ner simuleringen. Kör med Java.
avsnitt sammanfattning
- de flesta ämnen har tre olika faser: gas, vätska och fast ämne.
- fasförändringar mellan de olika faserna av materia beror på temperatur och tryck.
- förekomsten av de tre faserna med avseende på tryck och temperatur kan beskrivas i ett fasdiagram.
- två faser samexisterar (dvs de är i termisk jämvikt) vid en uppsättning tryck och temperaturer. Dessa beskrivs som en linje på ett fasdiagram.
- de tre faserna samexisterar vid ett enda tryck och temperatur. Detta är känt som trippelpunkten och beskrivs av en enda punkt på ett fasdiagram.
- en gas vid en temperatur under dess kokpunkt kallas en ånga.
- ångtryck är det tryck vid vilket en gas samexisterar med sin fasta eller flytande fas.
- partiellt tryck är det tryck som en gas skulle skapa om den existerade ensam.
- Daltons lag säger att det totala trycket är summan av partialtrycket för alla närvarande gaser.
konceptuella frågor
- en tryckkokare innehåller vatten och ånga i jämvikt vid ett tryck som är större än atmosfärstrycket. Hur ökar detta högre tryck matlagningshastigheten?
- varför bildas kondens snabbast på det kallaste föremålet i ett rum—till exempel på ett glas isvatten?
- vad är ångtrycket av fast koldioxid (torris) vid -78.5 UCC?
Figur 5. Fasdiagrammet för koldioxid. Axlarna är olinjära, och grafen är inte att skala. Torris är fast koldioxid och har en Sublimeringstemperatur på -78,5 UCC.
- kan koldioxid kondenseras vid rumstemperatur (20 CCC)? Om så är fallet, hur? Om inte, varför inte? (Se Figur 5)
- syre kan inte kondenseras vid rumstemperatur genom att placera det under ett tillräckligt stort tryck för att tvinga samman molekylerna. Förklara varför detta är.
- vad är skillnaden mellan gas och ånga?
ordlista
PV diagram: en graf över tryck vs. volym
kritisk punkt: temperaturen över vilken en vätska inte kan existera
kritisk temperatur: temperaturen över vilken en vätska inte kan existera
kritiskt tryck: det minsta tryck som behövs för att en vätska ska existera vid den kritiska temperaturen
ånga: en gas vid en temperatur under koktemperaturen
ångtryck: temperaturen över vilken en vätska inte kan existera tryck vid vilket en gas samexisterar med sin fasta eller flytande fas
fasdiagram: ett diagram över tryck vs. temperatur för ett visst ämne, som visar vid vilka tryck och temperaturer de tre faserna av ämnet uppträder
trippelpunkt: trycket och temperaturen vid vilken ett ämne existerar i jämvikt som en fast, flytande och gas
sublimering: fasförändringen från fast till gas
partialtryck: trycket en gas skulle skapa om den upptog den totala volymen av tillgängligt utrymme
Daltons lag om partialtryck: den fysiska lagen som säger att det totala trycket för en gas är summan av partialtrycket för komponenten gaser