tanulási célok
a szakasz végére képes lesz:
- értelmezni egy fázisdiagramot.
- állami Dalton törvénye.
- határozza meg és írja le a gáz hármas pontját a fázisdiagramjából.
- ismertesse a folyadék és a gáz, a folyadék és a szilárd, valamint a gáz és a szilárd közötti egyensúlyi állapotot.
eddig az ideális gázok viselkedését vettük figyelembe. A valódi gázok olyanok, mint az ideális gázok magas hőmérsékleten. Alacsonyabb hőmérsékleten azonban a molekulák és térfogatuk közötti kölcsönhatásokat nem lehet figyelmen kívül hagyni. A molekulák nagyon közel vannak (kondenzáció következik be), és a térfogat drámai csökkenése figyelhető meg, amint azt az 1.ábra mutatja. Az anyag gázról folyadékra változik. Amikor a folyadékot még alacsonyabb hőmérsékletre hűtik, szilárdvá válik. A térfogat soha nem éri el a nullát a molekulák véges térfogata miatt.
1.ábra. Egy vázlat térfogat versus hőmérséklet egy igazi gáz állandó nyomáson. A gráf lineáris (egyenes) része ideális gáz viselkedést jelent—a térfogat és a hőmérséklet közvetlenül és pozitívan kapcsolódik egymáshoz, a vonal pedig -273,15 ºC-on nulla térfogatra vagy abszolút nullára extrapolálódik. Amikor a gáz folyadékgá válik, a térfogat valójában csapadékosan csökken a cseppfolyósítási ponton. A térfogat kissé csökken, ha az anyag szilárd, de soha nem válik nullává.
nagynyomású is okozhat a gáz változtatni fázisban egy folyadék. A szén-dioxid például szobahőmérsékleten és légköri nyomáson gáz, de elég nagy nyomáson folyadékká válik. Ha a nyomás csökken, a hőmérséklet csökken, a folyékony szén-dioxid pedig hószerű anyaggá megszilárdul –78ºc hőmérsékleten. A szilárd CO2-t “szárazjégnek” nevezik.”A folyékony fázisban lévő gáz másik példája a folyékony nitrogén (LN2). Az LN2-t a légköri levegő cseppfolyósításával (kompresszió és hűtés révén) állítják elő. Légköri nyomáson 77 K (–196ºC) hőmérsékleten forr. Az LN2 hűtőközegként használható, és lehetővé teszi a vér, a sperma és más biológiai anyagok megőrzését. Arra is használják, hogy csökkentsék az elektronikus szenzorok és berendezések zaját, és segítsenek lehűteni áramvezető vezetékeiket. A bőrgyógyászatban az LN2-t arra használják, hogy megfagyjon és fájdalommentesen eltávolítsa a szemölcsöket és más növekedést a bőrről.
PV diagramok
egy anyag viselkedésének aspektusait vizsgálhatjuk a nyomás versus térfogat grafikonjának ábrázolásával, amelyet PV diagramnak nevezünk. Amikor az anyag úgy viselkedik, mint egy ideális gáz, az ideális gáztörvény leírja a nyomás és a térfogat közötti kapcsolatot. Vagyis PV = NkT (ideális gáz).
most, feltételezve, hogy a molekulák száma és a hőmérséklet rögzített, PV = állandó (ideális gáz, állandó hőmérséklet).
például a gáz térfogata csökken a nyomás növekedésével. Ha a PV = konstans kapcsolatot egy PV diagramon ábrázolja, akkor hiperbolát talál. A 2.ábra a nyomás és a térfogat grafikonját mutatja. A hiperbolák ideális gáz viselkedést képviselnek különböző rögzített hőmérsékleten, izotermáknak nevezik. Alacsonyabb hőmérsékleten a görbék kevésbé hasonlítanak a hiperbolákra—a gáz nem viselkedik ideálisan, sőt folyadékot is tartalmazhat. Van egy kritikus pont—vagyis egy kritikus hőmérséklet -, amely felett folyadék nem létezhet. A kritikus pont feletti kellően nagy nyomáson a gáz folyadék sűrűsége lesz, de nem kondenzálódik. A szén-dioxidot például 31,0 ºC feletti hőmérsékleten nem lehet cseppfolyósítani. A kritikus nyomás a folyadék kritikus hőmérsékleten való létezéséhez szükséges minimális nyomás. Az 1. táblázat a reprezentatív kritikus hőmérsékletet és nyomást sorolja fel.
2.ábra. PV diagramok. a) minden görbe (isotherm) a P és V közötti kapcsolatot jelöli rögzített hőmérsékleten; a felső görbék magasabb hőmérsékleten vannak. Az alsó görbék nem hiperbolák, mert a gáz már nem ideális gáz. b) a diagram kibővített része alacsony hőmérsékleten, ahol a fázis gázról folyadékra változhat. A “gőz” kifejezés a gázfázisra utal, amikor a forráspont alatti hőmérsékleten létezik.
| 1.táblázat. Kritikus Hőmérséklet vagy Nyomás | ||||
|---|---|---|---|---|
| Anyag | Kritikus hőmérséklet | Kritikus nyomás | ||
| K | º C | Pa | atm | |
| Víz | 647.4 | 374.3 | 22.12 × 106 | 219.0 |
| a Kén-dioxid | 430.7 | 157.6 | 7.88 × 106 | 78.0 |
| Ammónia | 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 |
Fázisdiagramok
a nyomás a hőmérsékletekkel szemben jelentős betekintést nyújt az anyagok termikus tulajdonságaiba. Ezeken a grafikonokon jól meghatározott régiók vannak, amelyek megfelelnek az anyag különböző fázisainak, így a PT grafikonokat fázisdiagramoknak nevezik. A 3.ábra a víz fázisdiagramját mutatja. A grafikon segítségével, ha ismeri a nyomást és a hőmérsékletet, meghatározhatja a víz fázisát. A szilárd vonalak-a fázisok közötti határok-azt a hőmérsékletet és nyomást jelzik, amelyen a fázisok együtt léteznek (vagyis arányokban léteznek, a nyomástól és a hőmérséklettől függően). Például a víz forráspontja 100ºC 1,00 atm-en. A nyomás növekedésével a forráspont folyamatosan 374ºc-ra emelkedik 218 atm nyomáson. A nyomástartó edény (vagy akár egy fedett edény) gyorsabban szakácsolja az ételt, mert a víz 100ºC-nál nagyobb hőmérsékleten folyadékként létezhet anélkül, hogy minden forráspont nélkül lenne. A görbe a kritikus pontnak nevezett ponton ér véget, mivel magasabb hőmérsékleten a folyadékfázis semmilyen nyomáson nem létezik. A kritikus pont a kritikus hőmérsékleten fordul elő,amint az az 1. táblázatból látható. Az oxigén kritikus hőmérséklete –118ºc, így az oxigént nem lehet cseppfolyósítani ezen a hőmérsékleten.
3. ábra. A víz fázisdiagramja (PT grafikon). Vegye figyelembe, hogy a tengelyek nemlineárisak, a grafikon pedig nem méretezhető. Ez a grafikon egyszerűsödik—a jégnek több más egzotikus fázisa is van nagyobb nyomáson.
Hasonlóképpen a 3. ábrán látható szilárd és folyékony régiók közötti görbe különböző nyomáson adja meg az olvadási hőmérsékletet. Például az olvadáspont 0ºc 1,00 atm-en, ahogy az várható volt. Ne feledje, hogy rögzített hőmérsékleten megváltoztathatja a fázist szilárd (jég) folyadékra (vízre) a nyomás növelésével. Jég olvad a nyomás a kezében egy hógolyó készítő. A fázisdiagramból azt is mondhatjuk, hogy a jég olvadási hőmérséklete megnövekedett nyomással emelkedik. Amikor egy autót a hó felett vezetnek, a gumiabroncsok megnövekedett nyomása megolvasztja a hópelyheket; ezután a víz újra felmelegszik, jégréteget képez.
kellően alacsony nyomáson nincs folyékony fázis, de az anyag gázként vagy szilárd anyagként létezhet. A víz esetében 0,00600 atm alatti nyomáson nincs folyékony fázis. A fázisváltozást Szilárdról gázra szublimációnak nevezzük. Ez a hócsomagolás nagy veszteségeit jelenti, amelyek soha nem jutnak folyóba, a fagyasztó rutinszerű automatikus leolvasztása, valamint a fagyasztva szárítási folyamat, amelyet sok élelmiszerre alkalmaznak. A szén-dioxid viszont 1 atm normál légköri nyomáson szublimálódik. (A CO2 szilárd formáját szárazjégnek nevezik, mert nem olvad. Ehelyett közvetlenül a szilárd anyagból a gázállapotba kerül.)
a fázisdiagram mindhárom görbéje egy ponton, a hármas ponton találkozik, ahol mindhárom fázis egyensúlyban van. A víz esetében a hármas pont 273,16 K (0.01ºC), és pontosabb kalibrációs hőmérséklet, mint a víz olvadáspontja 1,00 atm-en, vagy 273,15 K (0,0 ºC). Az egyéb anyagok hármas pontértékeit lásd a 2. táblázatban.
egyensúly
a folyadék – és gázfázisok egyensúlyban vannak forrásponton. (Lásd A 4. Ábrát.) Ha egy anyag a forráspontnál zárt tartályban van, akkor a folyadék forr, a gáz pedig ugyanolyan sebességgel kondenzálódik, anélkül, hogy a relatív mennyiségük nettó változása lenne. A folyadékban lévő molekulák ugyanolyan sebességgel jutnak el gázként, mint amikor a gázmolekulák a folyadékhoz tapadnak, vagy cseppecskéket képeznek, és a folyékony fázis részévé válnak. A hőmérséklet és a nyomás kombinációjának “helyesnek” kell lennie; ha a hőmérséklet és a nyomás megemelkedik, az egyensúlyt a forráspont és a páralecsapódás arányának azonos növekedése tartja fenn.
4. ábra. Egyensúly a folyadék és a gáz között két különböző forrásponton egy zárt tartályban. a) a forralás és a páralecsapódás mértéke egyenlő a hőmérséklet és a nyomás ezen kombinációjával, így a folyadék-és gázfázisok egyensúlyban vannak. b) magasabb hőmérsékleten a forráspont gyorsabb, és az is gyorsabb, hogy a molekulák milyen sebességgel hagyják el a folyadékot és jutnak be a gázba. Mivel több molekula van a gázban, a gáznyomás magasabb, és a gázmolekulák kondenzációjának és a folyadékba való belépésének sebessége gyorsabb. Ennek eredményeként a gáz és a folyadék egyensúlyban van ezen a magasabb hőmérsékleten.
| 2.táblázat. 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. Ez a hőmérséklet a forráspont ezen a nyomáson, ezért egyensúlyban kell lenniük. Miért forr fel teljesen egy 100ºC-os nyitott fazék víz? A nyitott edényt körülvevő gáz nem tiszta víz:levegővel keveredik. Ha tiszta a víz, illetve gőz vagy a zárt tartály 100ºC, 1.00 atm fognak egymás mellett—de a levegőben több mint a fű, kevesebb a víz molekulák lecsapódik, felforr a víz. Mi van a vízzel 20.0 ºC-on és 1.00 atm-en? Ez a hőmérséklet és a nyomás megfelel a folyadékrégiónak, mégis egy nyitott pohár víz ezen a hőmérsékleten teljesen elpárolog. Ismét a körülötte lévő gáz levegő, nem pedig tiszta vízgőz, így a csökkentett párolgási sebesség nagyobb, mint a száraz levegőből származó víz kondenzációs sebessége. Ha az üveg le van zárva, akkor a folyékony fázis marad. A gázfázist gőznek nevezzük, amikor létezik, ugyanúgy, mint a víz esetében 20,0 ºC-on, a forráspont alatti hőmérsékleten.
ellenőrizze megértését
magyarázza el, miért marad egy csésze víz (vagy szóda) jégkockákkal 0ºC-on, még egy forró nyári napon is.
oldat
a jég és a folyékony víz termikus egyensúlyban van, így a hőmérséklet a fagyási hőmérsékleten marad, amíg a jég a folyadékban marad. (Amint az összes jég megolvad, a víz hőmérséklete emelkedni kezd.)
gőznyomás, parciális nyomás és Dalton törvénye
gőznyomás olyan nyomás, amelynél a gáz együtt él szilárd vagy folyékony fázisával. A gőznyomást olyan gyorsabb molekulák hozzák létre, amelyek elszakadnak a folyadéktól vagy a szilárd anyagtól, és belépnek a gázfázisba. Az anyag gőznyomása mind az anyagtól, mind annak hőmérsékletétől függ—a hőmérséklet növekedése növeli a gőznyomást.
a parciális nyomást úgy definiáljuk, mint azt a nyomást, amelyet egy gáz hoz létre, ha elfoglalja a rendelkezésre álló teljes térfogatot. Gázok keverékében a teljes nyomás az alkotó gázok részleges nyomásának összege, ideális gáz viselkedést feltételezve, az összetevők közötti kémiai reakciók nélkül. Ezt a törvényt Dalton részleges nyomásról szóló törvényének nevezik, miután John Dalton (1766-1844) angol tudós javasolta. Dalton törvénye kinetikus elméleten alapul, ahol minden gáz molekuláris ütközésekkel hozza létre nyomását, függetlenül a jelen lévő többi gáztól. Ez összhangban van azzal a ténnyel, hogy a nyomás Pascal elve szerint növekszik. Így a víz elpárolog, és a jég szublimálódik, amikor gőznyomásuk meghaladja a vízgőz parciális nyomását a környező gázkeverékben. Ha gőznyomásuk kisebb, mint a környező gázban lévő vízgőz részleges nyomása, folyékony cseppek vagy jégkristályok (fagy) alakulnak ki.
ellenőrizze megértését
az energiaátvitel részt vesz a fázisváltásban? Ha igen, akkor kell-e energiát szolgáltatni ahhoz, hogy a fázist Szilárdról folyadékra, folyadékról gázra váltsuk? Mi a helyzet a gáztól a folyadékig, a folyadéktól a szilárdig? Miért permetezik a narancsfákat vízzel Floridában, amikor a hőmérséklet közel van, vagy éppen fagypont alatt van?
megoldás
Igen, az energiaátvitel részt vesz egy fázisváltásban. Tudjuk, hogy a szilárd anyagokban és folyadékokban lévő atomok és molekulák egymáshoz vannak kötve, mert tudjuk, hogy az erő elválasztásához szükség van rájuk. Tehát egy fázisváltáskor Szilárdról folyadékra és folyadékról gázra, esetleg ütközéssel erőt kell kifejteni az atomok és molekulák szétválasztására. A távolságon keresztül kifejtett erő munka, és energiára van szükség ahhoz, hogy a szilárd anyagtól a folyadékig és a gázig terjedjen. Ez intuitív módon összhangban van az energia szükségességével a jég olvadásához vagy a víz forralásához. A beszélgetés is igaz. A gáz vagy folyadék folyadék szilárd magában foglalja az atomok illetve molekulák nyomja együtt dolgozni pedig energia szabadul fel.
PhET Explorations: Az anyag-alapállapotok
hő, hűvös és tömöríti az atomokat és molekulákat, és figyeli, hogyan változnak a szilárd, folyékony és gázfázisok.
kattintson a szimuláció letöltéséhez. Futtatás Java használatával.
szakasz összefoglaló
- a legtöbb anyagnak három különböző fázisa van: gáz, folyadék és szilárd.
- a Fázisváltozások az anyag különböző fázisaiban a hőmérséklettől és a nyomástól függenek.
- A három fázis létezése a nyomás és a hőmérséklet tekintetében fázisdiagramban írható le.
- két fázis együtt létezik (azaz termikus egyensúlyban vannak) egy nyomás-és hőmérséklet-halmazon. Ezeket egy fázisdiagram vonalaként írják le.
- A három fázis együtt él egyetlen nyomáson és hőmérsékleten. Ez az úgynevezett hármas pont, amelyet egy fázisdiagram egyetlen pontja ír le.
- a forráspont alatti hőmérsékleten lévő gázt gőznek nevezzük.
- a gőznyomás az a nyomás, amelyen a gáz együtt létezik szilárd vagy folyékony fázisával.
- a részleges nyomás az a nyomás, amelyet egy gáz hozna létre, ha önmagában létezne.
- Dalton törvénye kimondja, hogy a teljes nyomás a jelen lévő összes gáz részleges nyomásának összege.
fogalmi kérdések
- a nyomástartó edény egyensúlyi állapotban vizet és gőzt tartalmaz a légköri nyomásnál nagyobb nyomáson. Hogyan növeli ez a nagyobb nyomás a szakács sebességét?
- miért alakul ki a kondenzáció a leggyorsabban a szoba leghidegebb tárgyán—például egy pohár jeges vízen?
- mi a szilárd szén-dioxid (szárazjég) gőznyomása -78, 5 ºC-on?
5. ábra. A szén-dioxid fázisdiagramja. A tengelyek nemlineárisak, a grafikon pedig nem méretezhető. A szárazjég szilárd szén-dioxid, szublimációs hőmérséklete -78,5 ºC.
- a szén-dioxid szobahőmérsékleten (20ºC) cseppfolyósítható? Ha igen, hogyan? Ha nem, miért ne? (Lásd az 5. ábrát)
- az oxigént szobahőmérsékleten nem lehet cseppfolyósítani úgy, hogy elég nagy nyomás alá helyezi, hogy molekuláit egymáshoz kényszerítse. Magyarázd el, miért van ez.
- mi a különbség a gáz és a gőz között?
Szójegyzék
PV ábra: a grafikon a nyomás vs kötet
a kritikus pont: a hőmérséklet, amely felett a folyadék nem létezhet
a kritikus hőmérséklet: a hőmérséklet, amely felett a folyadék nem létezhet
a kritikus nyomás: a minimális nyomás szükséges, a folyadékot, hogy létezik a kritikus hőmérséklet
gőz: a gáz alatti hőmérsékleten a forráspont
gőz nyomás: az a nyomás, amely egy gáz -, azt a bizottságnak a szilárd vagy folyékony fázis
fázis diagram: a diagram a nyomás, ill. hőmérséklet egy adott anyag, amely megmutatja, amely nyomás, valamint a hőmérséklet a három fázis az anyag fordul elő,
hármas pont: az a nyomás, hőmérséklet, amelyen az anyag létezik egyensúlyi, mint egy szilárd, folyékony vagy gáz
szublimációs: a fázisváltó a szilárd gáz -,
részleges nyomás: a nyomás a gáz volna létre, ha foglalt a teljes mennyiség a rendelkezésre álló hely
Dalton törvénye részleges nyomás: a fizikai törvény, amely kimondja, hogy a teljes nyomás a gáz az összege a részleges nyomás a komponens gázok