학습 목표
이 섹션에서,당신은 당신을 할 수 있습니다:
- 해석하는 단계 다이어그램입니다.주 달튼의 법칙.
- 위상 다이어그램에서 가스의 삼중 점을 식별하고 설명합니다.
- 액체와 기체,액체와 고체,기체와 고체 사이의 평형 상태를 설명한다.
지금까지 우리는 이상적인 가스의 거동을 고려했습니다. 실제 가스는 고온에서 이상적인 가스와 같습니다. 그러나 더 낮은 온도에서는 분자와 그 부피 사이의 상호 작용을 무시할 수 없습니다. 분자는 매우 가깝고(응축이 발생 함)그림 1 에서 볼 수 있듯이 부피의 극적인 감소가 있습니다. 물질은 가스에서 액체로 변합니다. 액체가 더 낮은 온도로 냉각되면 고체가됩니다. 분자의 유한 부피 때문에 부피는 결코 0 에 도달하지 않습니다.
그림 1. 일정한 압력에서 실제 가스에 대한 체적 대 온도의 스케치. 선형(직선)제품의 그래프로 나타내는 이상적인 가스 행동을 볼륨 및 온도는 바로 그리고 긍정적으로 관련된 라인 추정을 제로에 볼륨 -273.15ºC,또는 절대적이다. 그러나 가스가 액체가되면 액화 지점에서 부피가 실제로 급격히 감소합니다. 물질이 단단 해지면 부피가 약간 줄어들지 만 결코 0 이되지는 않습니다.
고압으로 인해 기체가 액체로 위상을 바꿀 수도 있습니다. 예를 들어 이산화탄소는 실온과 대기압의 가스이지만 충분히 높은 압력 하에서 액체가됩니다. 압력이 감소하면 온도가 떨어지고 액체 이산화탄소는 온도-78ºC 에서 눈과 같은 물질로 응고됩니다. 고체 이산화탄소는”드라이 아이스”라고합니다.”액상에있을 수있는 기체의 또 다른 예는 액체 질소(ln2)입니다. LN2 는 대기 공기의 액화(압축 및 냉각을 통해)에 의해 만들어집니다. 대기압에서 77k(–196ºC)에서 비등합니다. LN2 는 냉매로서 유용하며 혈액,정자 및 기타 생물학적 물질의 보존을 허용합니다. 또한 전자 센서 및 장비의 소음을 줄이고 전류 운반 전선을 식히는 데 사용됩니다. 피부과에서 LN2 는 피부에서 사마귀 및 기타 성장을 동결시키고 고통없이 제거하는 데 사용됩니다.
PV 다이어그램
를 검사할 수 있습의 동작 측면 물질에 의해 음모를 꾸미고 그래프 압력의 대 볼륨이라고 하는 PV 다이어그램입니다. 물질이 이상적인 가스처럼 행동 할 때,이상적인 가스 법칙은 압력과 부피 사이의 관계를 설명합니다. 즉,PV=NkT(이상적인 가스)입니다.
이제 분자의 수와 온도가 고정되어 있다고 가정하면 PV=상수(이상적인 가스,일정한 온도).예를 들어,기체의 부피는 압력이 증가함에 따라 감소할 것이다. PV 다이어그램에서 관계 PV=상수를 플롯하면 쌍곡선을 찾습니다. 그림 2 는 압력 대 체적의 그래프를 보여줍니다. 쌍곡선은 다양한 고정 온도에서 이상적인 가스 거동을 나타내며 등온선이라고합니다. 에서 더 낮은 온도 곡선하기 시작하는 적은 쌍곡선—가스를 이상적으로 동작하지 않을 수 있습도 포함된 액체입니다. 액체가 존재할 수없는 임계점,즉 임계 온도가 있습니다. 임계점 이상으로 충분히 높은 압력에서,가스는 액체의 밀도를 갖지만 응축되지 않을 것이다. 예를 들어 이산화탄소는 31.0ºC 이상의 온도에서 액화 될 수 없습니다. 임계 압력은 임계 온도에서 액체가 존재하는 데 필요한 최소 압력입니다. 표 1 은 대표적인 임계 온도 및 압력을 나열합니다.
그림 2. PV 다이어그램. (a)각 곡선(등온선)은 고정 된 온도에서 P 와 V 사이의 관계를 나타내며,상부 곡선은 더 높은 온도에 있습니다. 더 낮은 곡선은 가스가 더 이상 이상적인 가스가 아니기 때문에 쌍곡선이 아닙니다. (b)위상이 기체에서 액체로 변할 수있는 저온에 대한 다이어그램의 확장 된 부분. 용어”증기”는 비등 온도 이하의 온도에 존재할 때 가스상을 지칭한다.
| 표 1. 중요한 온도와 압력 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 물질 | 중요한 온도 | 중압 | ||
| K | º C | Pa | atm | |
| 물 | 647.4 | 374.3 | 22.12×106 | 219.0 |
| 이산화황 | 430.7 | 157.6 | 7.88×106 | 78.0 |
| 암모니아 | 405.5 | 132.4 에 | 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 |
단계 다이어그램
플롯의 압력에 대한 온도 상당한 통찰력으로 열적 특성의 물질이다. 이 그래프에는 물질의 다양한 위상에 해당하는 잘 정의 된 영역이 있으므로 PT 그래프를 위상 다이어그램이라고합니다. 그림 3 은 물 위상 다이어그램을 보여줍니다. 그래프를 사용하여 압력과 온도를 알고 있다면 물 위상을 결정할 수 있습니다. 솔리드 라인 사이의 경계를 단계별 표시 온도 및 압력에서 어떤 단계 공존(즉,그들은 함께 존재에 비율에 따라서,압력 및 온도). 예를 들어,물 끓는점은 1.00 기압에서 100ºC 입니다. 압력이 증가함에 따라 비등 온도는 218 기압의 압력에서 374ºc 로 꾸준히 상승합니다. 압력솥(또는 덮은 냄비)이 빠른 음식을 요리하기 때문에 물로 존재할 수 있는 액체의 온도에서보다 큰 100ºC 없이 모든 끓는다. 곡선은 임계점이라고하는 지점에서 끝나는데,그 이유는 더 높은 온도에서는 액상이 어떤 압력에서도 존재하지 않기 때문입니다. 임계점은 표 1 의 물에서도 볼 수 있듯이 임계 온도에서 발생합니다. 산소의 임계 온도는-118ºC 이므로 산소는이 온도 이상으로 액화 될 수 없습니다.
그림 3. 물 위상 다이어그램(PT 그래프). 축은 비선형이며 그래프는 스케일링하지 않습니다. 이 그래프는 단순화됩니다—더 높은 압력에서 얼음의 몇 가지 다른 이국적인 단계가 있습니다.
유사하게,그림 3 의 고체 영역과 액체 영역 사이의 곡선은 다양한 압력에서 용융 온도를 제공합니다. 예를 들어,융점은 예상대로 1.00 기압에서 0ºC 입니다. 고정 된 온도에서 압력을 증가시켜 고체(얼음)에서 액체(물)로 위상을 변경할 수 있습니다. 눈덩이 제작자의 손에있는 압력에서 얼음이 녹습니다. 위상 다이어그램에서 우리는 또한 얼음의 용융 온도가 증가 된 압력으로 상승한다고 말할 수 있습니다. 자동차가 눈 위로 운전 될 때,타이어에서 증가 된 압력은 눈송이를 녹여;이후 물 refreezes 및 얼음 층을 형성한다.
충분히 낮은 압력에서는 액상이 없지만 물질은 가스 또는 고체로 존재할 수 있습니다. 물에는 0.00600 기압 이하의 압력에서 액상이 없습니다. 고체에서 기체로의 상 변화를 승화라고합니다. 그것은 큰 손실을 눈으로는 결코 그것을 강으로,일상적인 자동적인 해동의 냉장고 및 냉동 건조는 프로세스에 적용되는 많은 음식입니다. 반면에 이산화탄소는 1 기압의 표준 대기압에서 승화됩니다. (고체 형태의 이산화탄소는 녹지 않기 때문에 드라이 아이스로 알려져 있습니다. 대신 고체에서 가스 상태로 직접 이동합니다.)
위상 다이어그램의 세 곡선은 모두 세 위상이 평형 상태로 존재하는 단일 지점 인 삼중 점에서 만난다. 물 들어,트리플 포인트는 273.16K 에서 발생(0.01ºC),그리고 1.00atm,또는 273.15K(0.0ºC)에 물 융해점 보다는 더 정확한 구경측정 온도입니다. 다른 물질의 삼중 점 값은 표 2 를 참조하십시오.
평형
액체 및 가스상은 비등 온도에서 평형 상태이다. (그림 4 참조.)물질이 끓는점에서 닫힌 용기에 있으면 액체가 끓고 가스가 상대적인 양의 순 변화없이 동일한 속도로 응축됩니다. 분자에서 액체로 탈출 가스 같은 속도에서는 가스 분자 스틱,액체 또는 형태로 방울과의 일부가 액체 단계입니다. 조합의 온도와 압력이 있을 수”바로”;만약 온도와 압력이 증가하고,균형을 유지하여 동의 증가 비등 및 응축 요금입니다.
그림 4. 닫힌 용기 내부의 두 개의 서로 다른 끓는점에서 액체와 가스 사이의 평형. (a)이 온도와 압력의 조합에서 비등과 응축의 속도는 동일하므로 액체와 가스상은 평형을 이룬다. (b)더 높은 온도에서 비등 속도는 더 빠르며 분자가 액체를 떠나 가스로 들어가는 속도도 더 빠릅니다. 이 있기 때문에 더 분자가스,가스 압력이 더 높은 속도에서는 가스 분자가 얼마나 입력 액체가 더 빠르다. 결과적으로 가스와 액체는이 더 높은 온도에서 평형 상태에 있습니다.
| 표 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. 이 온도는 그 압력에서 끓는점이므로 평형에 존재해야합니다. 왜 100ºC 의 열린 물 냄비가 완전히 비등합니까? 열린 냄비를 둘러싸고있는 가스는 순수한 물도 아닙니다:그것은 공기와 혼합됩니다. 는 경우에는 순수한 물과 증기는 폐 컨테이너에 100ºC 및 1.00atm,그들은 공존만기 냄비를 통해,몇몇 물 분자를 응축하고,물 끓. 20.0ºC 와 1.00atm 의 물 은요? 이 온도와 압력은 액체 영역에 해당하지만,이 온도에서 열린 물 한 잔은 완전히 증발합니다. 다시,가스 주입 공기 및 순수하지 않은 물은 수증기,그래서 그가 감소 증발 속도 보다 큰 응축의 비율로 물에서 건조한 공기. 유리가 밀봉 된 경우 액상이 유지됩니다. 우리는 끓는 온도 이하의 온도에서 20.0ºC 에서 물처럼 존재할 때 가스상을 증기라고 부릅니다.
이해를 확인하십시오
얼음 조각이 든 물 한 컵(또는 소다)이 더운 여름날에도 0ºC 에 머물러있는 이유를 설명하십시오.
용액
얼음과 액체 물 열 평형 상태이므로 얼음이 액체에 남아있는 한 온도가 동결 온도에 머물러 있습니다. (일단 얼음이 모두 녹 으면 물 온도가 상승하기 시작할 것입니다.)
증기압,부분적인 압력,그리고 돌턴의 법칙
수증기 압력은 압력으로 정의에서는 가스과 공존의 솔리드 또는 액체 단계입니다. 증기압은 액체 또는 고체에서 떨어져 나와 가스상으로 들어가는 더 빠른 분자에 의해 생성됩니다. 물질의 증기압은 물질과 온도 모두에 달려 있습니다-온도가 상승하면 증기압이 증가합니다.
부분 압력은 가스가 사용 가능한 총 부피를 차지할 경우 생성 할 압력으로 정의됩니다. 혼합물에 가스의 총 압력은 합의는 부분의 압력이 구성 가스,가정적인 가스 행동과 화학 반응이 구성 요소입니다. 이 법칙은 영국 과학자 존 달튼(John Dalton,1766-1844)이 제안한 후 달튼의 부분 압력 법칙으로 알려져 있습니다. 달튼의 법칙은 각 가스가 존재하는 다른 가스와 독립적 인 분자 충돌에 의해 압력을 생성하는 운동 이론에 근거합니다. 그것은 파스칼의 원리에 따라 압력이 추가된다는 사실과 일치합니다. 따라서 물 증발 하 고 얼음은 그들의 증기압 가스의 주변 혼합물에서 물 증기의 분압을 초과 하는 경우 승화입니다. 그들의 증기압이 주변 가스의 물 증기의 분압보다 작 으면 액체 방울 또는 얼음 결정(서리)이 형성됩니다.
이해를 확인하십시오
에너지 전달이 위상 변화에 관련되어 있습니까? 그렇다면 고체에서 액체로,액체에서 기체로 위상을 바꾸기 위해 에너지를 공급해야 할 것인가? 액체에 가스 및 고체에 액체는 어떨까요? 왜 그들은 온도 근처 또는 동결 바로 아래 플로리다에서 물 오렌지 나무를 살포 합니까?
솔루션
예,에너지 전달은 위상 변화에 관여합니다. 우리가 알고 있는 원자와 분자가에서는 고체와 액체가 서로 묶 다는 것을 알고 있기 때문에 우리는 힘이 별도로 필요합니다. 그래서 단계 변화에서 단단한 액체 및 액체,가스에는 힘이 발휘되는,아마도하여 충돌을 분리,원자와 분자. 력 발휘를 통해거리는 작업과 에너지를 수행하는 데 필요한 작업에서 단단한 액체 및 액체하는 가스입니다. 이것은 얼음을 녹이거나 물기를 끓일 수있는 에너지의 필요성과 직관적으로 일치합니다. 대화도 마찬가지입니다. 에서는 가스를 액체 또는 액체 단단한 포함한 원자와 분자가 추진하고,함께 작업과 에너지를 방출.
PhET Explorations: 국는 물질의 기본
가열,냉각 및 압축 원자와 분자 및 그들 간에 변경이 고체,액체 및 가스 단계로 구성됩니다.
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섹션에서 요약
- 대부분의 물질이 있는 독특한 세 가지 단계는 가스,액체 및 고체.
- 물질의 다양한 상들 사이의 상 변화는 온도와 압력에 의존한다.
- 압력 및 온도와 관련하여 3 단계의 존재를 위상 다이어그램으로 설명 할 수 있습니다.
- 두 상은 일련의 압력과 온도에서 공존합니다(즉,열 평형에 있습니다). 이들은 위상 다이어그램의 선으로 설명됩니다.
- 3 상은 단일 압력과 온도에서 공존합니다. 이것은 삼중 점으로 알려져 있으며 위상 다이어그램의 단일 점에 의해 설명됩니다.
- 끓는점 이하의 온도에서 가스를 증기라고합니다.
- 증기압은 기체가 고체 또는 액체와 공존하는 압력입니다.
- 분압은 가스가 단독으로 존재한다면 생성 할 압력입니다.
- Dalton 의 법칙은 총 압력이 존재하는 모든 가스의 분압의 합이라고 말합니다.
개념적 질문
- 압력솥은 물 및 증기를 대기압보다 큰 압력으로 평형 상태로 포함합니다. 이 더 큰 압력은 어떻게 조리 속도를 증가 시키는가?
- 왜 응축이 방의 가장 차가운 물체(예:얼음 물 한 잔)에서 가장 빠르게 형성됩니까?
- -78.5ºC 에서 고체 이산화탄소(드라이 아이스)의 증기압은 얼마입니까?
그림 5. 이산화탄소에 대한 위상 다이어그램. 축은 비선형이며 그래프는 스케일링하지 않습니다. 드라이 아이스는 고체 이산화탄소이며 승화 온도는 -78.5ºC 입니다.
- 실온(20ºC)에서 이산화탄소를 액화시킬 수 있습니까? 그렇다면 어떻게? 그렇지 않다면 왜 안됩니까? (그림 5 참조)
- 산소할 수 없 액화한 실내 온도에 배치하여 아래에서 충분히 큰 압력을 강제로 그것의 분자 함. 이것이 왜 그런지 설명하십시오.
- 가스와 증기의 구분은 무엇입니까?
용어
PV 다이어그램 그래프 압력이 대량
중요한 포인트:위의 온도는 액체가 존재할 수 없습니다.
중요한 온도:위의 온도는 액체가 존재할 수 없습니다.
중요한 압력:최소 필요한 압력은 액체에 존재하는 중요한 기온
증기: 가스의 온도에서 끓는 온도
증기압:압력에서는 가스과 공존의 솔리드 또는 액상
단계 다이어그램 그래프 압력의 대 온도의 특정 물질,보여주기에는 압력과 온도가 세계 물질이 발생할
트리플점:압력 및 온도에서는 물질이 존재하는 균형 고체,액체 및 가스
승화:의 단계 변화에서 단단한 가스가
부분 압력: 압력을 가스를 만들면 그것을 점령은 총 볼륨의 공간을 사용할 수 있
돌턴의 법칙의 부분 압력:육체적인 법을 알리고 있다는 총 압력의 가스는 합계의 부분의 압력이 구성 가스가