学習目標
このセクションの終わりまでに、あなたは次のことができるようになります。
- 相図を解釈します。
- 状態ダルトンの法則。
- その状態図からガスの三重点を特定して記述します。
- 液体と気体、液体と固体、気体と固体の間の平衡状態を記述します。
これまで、理想気体の挙動を検討してきました。 実際のガスは、高温での理想気体のようなものです。 しかし、より低い温度では、分子とその体積との間の相互作用を無視することはできない。 分子は非常に近く（凝縮が起こる）、図1に示すように、体積が劇的に減少します。 物質は気体から液体に変化する。 液体がさらに低い温度に冷却されると、それは固体になる。 分子の体積が有限であるため、体積はゼロに達することはありません。
図1. 一定の圧力での実際のガスの体積対温度のスケッチ。 グラフの線形（直線）部分は理想的なガスの挙動を表します—体積と温度は直接的かつ積極的に関連しており、線は-273.15º C、または絶対ゼロでゼロ体積に外挿 しかし、気体が液体になると、実際には液状化点で体積が急激に減少する。 物質が固体になると、体積はわずかに減少するが、決してゼロになることはない。
高圧はまた、ガスが液体に相を変化させる可能性があります。 二酸化炭素は、例えば、室温および大気圧のガスであるが、十分に高い圧力の下で液体になる。 圧力が低下すると、温度が低下し、液体二酸化炭素は-78℃の温度で雪のような物質に凝固する。 固体CO2は”ドライアイス”と呼ばれています。「液相にあり得る気体の別の例は、液体窒素（LN2）である。 LN2は大気空気の液化によってなされます（圧縮および冷却によって）。 それは大気圧の77K（-196º C）で沸騰します。 LN2は冷却剤として有用で、血、精液および他の生物的材料の保存を可能にします。 また電子センサーおよび装置の騒音を減らし、現在運送ワイヤーを冷却するのを助けることを使用します。 皮膚科学では、LN2が皮から疣および他の成長を凍らせ、痛みを伴わずに取除くのに使用されています。PV図と呼ばれる圧力対体積のグラフをプロットすることで、物質の挙動の側面を調べることができます。
PV図
PV図と呼ばれます。 物質が理想気体のように振る舞うとき、理想気体の法則は、その圧力と体積との関係を記述する。 すなわち、ＰＶ＝ｎｋｔ（理想気体）である。ここで、分子の数と温度が固定されていると仮定すると、PV=定数（理想気体、一定温度）。
例えば、ガスの体積は圧力が増加するにつれて減少する。 PV図にPV=constantの関係をプロットすると、双曲線が見つかります。 図2は、圧力対体積のグラフを示しています。 双曲線は、様々な固定温度での理想気体の挙動を表し、等温線と呼ばれます。 より低い温度では、曲線は双曲線のように見え始めます—ガスは理想的には動作せず、液体を含むことさえあります。 液体が存在できない臨界点、すなわち臨界温度があります。 臨界点を超える十分に高い圧力では、気体は液体の密度を有するが、凝縮しない。 二酸化炭素は、例えば、31.0º Cの上の温度で液化することができません。 臨界圧力は、液体が臨界温度で存在するために必要な最小圧力である。 表1は、代表的な臨界温度と圧力を示しています。
PVの図表。 （a）各曲線（等温線）は、固定温度でのPとVの関係を表し、上部の曲線はより高い温度である。 気体はもはや理想気体ではないため、下の曲線は双曲線ではありません。 （b）相が気体から液体に変化する可能性がある低温のための図の拡大部分。 用語「蒸気」は、それが沸騰温度以下の温度で存在する場合の気相を指す。P>
| 表1. /Th> | |||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 物質 | 臨界温度 | 臨界圧力 | |||||||||||||||||||
| K | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | ≤C | 78.0 |
| アンモニア | 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 | |||||||||||||||||
相図
圧力対温度のプロットは、物質の熱特性にかなりの洞察を提供します。 これらのグラフ上には、物質の様々な相に対応する明確に定義された領域があるので、PTグラフは相図と呼ばれます。 図3に水の状態図を示します。 グラフを使用して、圧力と温度がわかっていれば、水の相を決定することができます。 実線-相間の境界-は、相が共存する温度と圧力を示します（つまり、圧力と温度に応じて、それらは比率で一緒に存在します）。 例えば、水の沸点は1.00気圧で100℃である。 圧力が上昇するにつれて、沸騰温度は218気圧の圧力で374℃に着実に上昇する。 圧力鍋（または覆われた鍋）は、水がすべて沸騰することなく100℃以上の温度で液体として存在する可能性があるため、食品をより速く調理します。 曲線は臨界点と呼ばれる点で終了します,より高い温度で液相は、任意の圧力で存在しないため、. 臨界点は、あなたが表1から水のために見ることができるように、臨界温度で発生します。 酸素の臨界温度は–118℃であるため、酸素はこの温度を超えて液化することはできません。
図3. 水の状態図（PTグラフ）。 軸は非線形であり、グラフは拡大縮小されないことに注意してください。 このグラフは単純化されています—より高い圧力で氷のいくつかの他のエキゾチックな相があります。同様に、図3の固体領域と液体領域の間の曲線は、様々な圧力での融解温度を与える。 例えば、融点は予想通り1.00気圧で0º Cです。 固定温度では、圧力を上げることによって固体（氷）から液体（水）に相を変えることができることに注意してください。 氷は雪だるまメーカーの手の中の圧力から溶けます。 相図から、氷の融解温度は圧力の上昇とともに上昇すると言うこともできます。 車が雪の上で運転されるとき、タイヤからの高められた圧力は雪片を溶かします;その後水は再凍結し、氷の層を形作ります。十分に低い圧力では液相は存在しないが、物質は気体または固体のいずれかとして存在することができる。
水の場合、0.00600気圧以下の圧力では液相はありません。 固体から気体への相変化は昇華と呼ばれます。 それは決して川にそれを作らない雪のパックの大きい損失、フリーザーの定期的な自動霜を取り除くこと、および多くの食糧に適用される凍結乾燥プロセ 一方、二酸化炭素は標準大気圧1気圧で昇華する。 （それは溶けないので、CO2の固体形態は、ドライアイスとして知られています。 代わりに、それは固体から気体状態に直接移動します。)
相図上の三つの曲線はすべて、三つの相がすべて平衡状態に存在する単一の点、三重点で会う。 水の場合、三重点は273.16K(0.01º C）は、1.00気圧に水の融点、または273.15K（0.0º C）より正確な口径測定の温度であり。 他の物質の三重点値については表2を参照してください。
平衡
液体相と気相は沸騰温度で平衡にあります。
平衡
液体相と気相は沸点で平衡にあります。 (図4を参照してください。）物質が沸点で密閉容器内にある場合、液体は沸騰しており、ガスはそれらの相対量の正味の変化なしに同じ速度で凝縮している。 液体中の分子は、気体分子が液体に付着するのと同じ速度で気体として脱出するか、または液滴を形成して液相の一部になる。 温度と圧力の組み合わせは「ちょうど」でなければならず、温度と圧力が増加すると、沸騰速度と凝縮速度が同じになることによって平衡が維持され
図4。 閉じた容器内の二つの異なる沸点における液体と気体の間の平衡。 （a）沸騰および凝縮の速度は温度および圧力のこの組合せで等しいです、従って液体および気相は平衡にあります。 （b）より高い温度では、沸騰速度はより速く、分子が液体を離れてガスに入る速度もより速くなる。 気体中にはより多くの分子が存在するため、気体圧力は高く、気体分子が凝縮して液体に入る速度は速くなります。 その結果、気体と液体はこのより高い温度で平衡状態にあります。P>
| 表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. この温度はその圧力での沸点であるため、平衡状態に存在するはずです。 なぜ100º Cの水の開いた鍋は完全に沸騰するのですか？ 開いた鍋を囲むガスは純粋な水ではありません：それは空気と混合されます。 純粋な水と蒸気が100℃と1.00気圧の密閉容器にある場合、それらは共存しますが、鍋の上の空気と一緒に、凝縮する水分子が少なくなり、水が沸騰します。 20.0º cおよび1.00自動支払機の水についての何か。 この温度と圧力は液体領域に対応していますが、この温度で開いた水のガラスは完全に蒸発します。 ここでも、その周囲のガスは空気であり、純粋な水蒸気ではないため、蒸発速度の低下は乾燥空気からの水の凝縮速度よりも大きくなります。 ガラスが密封されている場合、液相は残る。 それは沸騰温度以下の温度で、20.0℃で水のためにそうであるように、それが存在する場合、我々は、気相を蒸気と呼びます。
あなたの理解を確認してください
氷の水（またはソーダ）のカップが暑い夏の日にも、0º Cにとどまる理由を説明してください。
溶液
氷と液体の水は熱平衡にあるので、氷が液体中に残っている限り、温度は凍結温度にとどまります。
溶液
氷と液体の水は熱平衡にあります。 （すべての氷が溶けると、水温が上昇し始めます。蒸気圧、分圧、およびダルトンの法則
蒸気圧は、ガスがその固相または液相と共存する圧力として定義されます。 蒸気圧は、液体または固体から離れて気相に入るより速い分子によって生成される。 物質の蒸気圧は、物質とその温度の両方に依存します—温度の上昇は蒸気圧を増加させます。
分圧は、ガスが利用可能な総体積を占めていた場合に生成される圧力として定義されます。
ガスの混合物では、全圧は、理想的なガス挙動を仮定し、成分間の化学反応を仮定しない、成分ガスの分圧の合計である。 この法則は、それを提案した英国の科学者John Dalton（1766-1844）にちなんで、Dalton’s law of partial pressuresとして知られています。 ダルトンの法則は、各ガスが存在する他のガスとは無関係に、分子衝突によってその圧力を作り出す運動論に基づいています。 これは、圧力がパスカルの原則に従って追加されるという事実と一致しています。 従って蒸気圧がガスの周囲の混合物の水蒸気の分圧を超過するとき水は蒸発し、氷は昇華します。 それらの蒸気圧が周囲のガス中の水蒸気の分圧よりも小さい場合、液滴または氷結晶（霜）が形成される。
あなたの理解を確認してください
エネルギー移動は相変化に関与していますか？ もしそうなら、エネルギーは固体から液体に、液体から気体に相を変化させるために供給されなければならないのでしょうか？ 液体へのガスおよび固体への液体についての何か。 温度が氷点下または近くにあるとき、なぜ彼らはフロリダ州の水でオレンジ色の木をスプレーするのですか？
溶液
はい、エネルギー移動は相変化に関与しています。 固体と液体の原子と分子は、それらを分離するために力が必要であることを知っているので、互いに結合していることを知っています。 したがって、固体から液体へ、液体から気体への相変化では、原子と分子を分離するために、おそらく衝突によって力を発揮しなければならない。 距離をかけて働く力は仕事であり、固体から液体、液体から気体へと進むための仕事をするためにはエネルギーが必要です。 これは、氷を溶かしたり水を沸騰させたりするためのエネルギーの必要性と直感的に一致しています。 逆もまた真実です。 気体から液体または液体から固体への移動には、原子と分子が一緒に押し合い、仕事をし、エネルギーを放出することが含まれます。
PhET探索: 物質の状態-基本
原子や分子を加熱、冷却、圧縮し、固体、液体、気相の間で変化するのを見ます。
シミュレーションをダウンロードするにはクリックしてください。 Javaを使用して実行します。
セクションの概要
- ほとんどの物質は、ガス、液体、固体の三つの異なる相を持っています。
- 物質の様々な相の間の相変化は、温度と圧力に依存する。
- 圧力と温度に関する三相の存在は、相図で説明することができます。
- 二つの相が共存する（すなわち、それらは熱平衡にある）圧力と温度のセットで。 これらは相図上の線として記述されています。
- 三つの相は、単一の圧力と温度で共存しています。 これは三重点として知られており、相図上の単一の点によって記述されます。
- その沸点以下の温度のガスは蒸気と呼ばれます。蒸気圧は、気体がその固相または液相と共存する圧力である。
- 蒸気圧は、気体がその固相または液相と共存する圧力である。
- 分圧は、ガスが単独で存在する場合に生成される圧力です。
- ダルトンの法則は、全圧は存在するすべてのガスの分圧の合計であると述べています。
概念の質問
- 圧力鍋には、大気圧よりも大きな圧力で平衡状態の水と蒸気が含まれています。 この大きな圧力はどのように調理速度を増加させるのですか？
- 部屋の中で最も寒い物体、例えば氷水のガラスに結露が最も急速に形成されるのはなぜですか？
- -78.5º Cでの固体二酸化炭素（ドライアイス）の蒸気圧は何ですか？
図5。 二酸化炭素の相図。 軸は非線形であり、グラフはスケーリングされません。 ドライアイスは固体の二酸化炭素であり、昇華温度は-78.5℃である。
- 二酸化炭素は室温（20℃）で液化することができますか？ もしそうなら、どのように？ そうでない場合は、なぜですか？ (図5参照)
- 酸素は、分子を一緒に強制するのに十分な大きさの圧力の下に置くことによって室温で液化することはできません。 これがなぜであるか説明しなさい。
- ガスと蒸気の違いは何ですか？
用語集
PV図：圧力対体積のグラフ
臨界点：液体が存在できない温度
臨界温度：液体が存在できない温度
臨界圧力：液体が臨界温度
蒸気：沸騰温度
蒸気圧：液体が存在するために必要な最小圧力
蒸気圧：沸騰温度以下の温度でガス
蒸気圧：液体が存在するために必要な最小圧力
蒸気圧：液体が存在するために必要な最小圧力
蒸気圧：液体が存在するために必要な最小圧力
蒸気圧：液体が存在するために必要な最小圧力
蒸気圧：液体が存在するために必要な最小圧力
蒸気圧：液体が存在するために必要な最小圧力
ガスは、その固相または液相と共存しています
相図：圧力対のグラフ 特定の物質の温度は、どの圧力と温度で物質の三相が発生するかを示す
トリプルポイント：物質が固体、液体、ガスとして平衡状態に存在する圧力と温度
昇華：固体からガスへの相変化
分圧：それが利用可能な空間の総体積を占めている場合、ガスが作成する圧力
分圧のダルトンの法則：ガスの全圧力は、成分ガスの分圧の合計であることを述べている物理法則