do tej pory rozważaliśmy zachowanie gazów idealnych. Gazy rzeczywiste są jak gazy idealne w wysokich temperaturach. W niższych temperaturach nie można jednak ignorować interakcji między cząsteczkami i ich objętościami. Cząsteczki są bardzo blisko (występuje kondensacja) i występuje dramatyczny spadek objętości, jak widać na rysunku 1. Substancja zmienia się z gazu w ciecz. Gdy ciecz jest chłodzona do jeszcze niższych temperatur, staje się ciałem stałym. Objętość nigdy nie osiąga zera z powodu skończonej objętości cząsteczek.

Rysunek 1. Szkic objętości w stosunku do temperatury dla gazu rzeczywistego przy stałym ciśnieniu. Liniowa (prosta) część wykresu reprezentuje zachowanie gazu idealnego-objętość i temperatura są bezpośrednio i dodatnio powiązane, a linia ekstrapoluje do objętości zerowej przy -273,15 ºC, czyli zera bezwzględnego. Gdy jednak gaz staje się cieczą, objętość faktycznie gwałtownie maleje w punkcie skraplania. Objętość zmniejsza się nieznacznie, gdy substancja jest stała, ale nigdy nie staje się zerowa.

wysokie ciśnienie może również spowodować zmianę fazy gazu w ciecz. Na przykład dwutlenek węgla jest gazem w temperaturze pokojowej i ciśnieniu atmosferycznym, ale staje się cieczą pod wystarczająco wysokim ciśnieniem. W przypadku obniżenia ciśnienia temperatura spada, a ciekły dwutlenek węgla w temperaturze-78ºC zestala się w substancję podobną do śniegu. Stały CO2 nazywa się ” suchym lodem.”Innym przykładem gazu, który może być w fazie ciekłej jest ciekły azot (LN2). LN2 jest wytwarzany przez skraplanie powietrza atmosferycznego (poprzez sprężanie i chłodzenie). Gotuje się w temperaturze 77 K (- 196ºC) pod ciśnieniem atmosferycznym. LN2 jest przydatny jako czynnik chłodniczy i pozwala na zachowanie krwi, plemników i innych materiałów biologicznych. Jest również stosowany do redukcji hałasu w czujnikach i urządzeniach elektronicznych oraz do chłodzenia ich przewodów przewodzących prąd. W dermatologii LN2 służy do zamrażania i bezboleśnie usuwania brodawek i innych narośli ze skóry.

diagramy PV

możemy zbadać aspekty zachowania substancji, wykreślając wykres ciśnienia w stosunku do objętości, zwany diagramem PV. Kiedy substancja zachowuje się jak gaz idealny, prawo gazu idealnego opisuje zależność między jej ciśnieniem a objętością. Oznacza to, że PV = NkT (Gaz idealny).

teraz, zakładając, że liczba cząsteczek i temperatura są stałe, PV = stała (Gaz idealny, stała temperatura).

na przykład objętość gazu zmniejszy się wraz ze wzrostem ciśnienia. Jeśli wykreślisz zależność PV = stała na diagramie PV, znajdziesz hiperbolę. Rysunek 2 przedstawia wykres ciśnienia w stosunku do objętości. Hiperbole reprezentują zachowanie gazu idealnego w różnych stałych temperaturach i nazywane są izotermami. W niższych temperaturach krzywe zaczynają wyglądać mniej jak hiperbole—Gaz nie zachowuje się idealnie i może nawet zawierać ciecz. Istnieje punkt krytyczny-to jest temperatura krytyczna-powyżej której ciecz nie może istnieć. Przy wystarczająco wysokim ciśnieniu powyżej punktu krytycznego gaz będzie miał gęstość cieczy, ale nie będzie się skraplał. Na przykład dwutlenek węgla nie może być skroplony w temperaturze powyżej 31,0 ºC. Ciśnienie krytyczne to minimalne ciśnienie potrzebne do istnienia cieczy w temperaturze krytycznej. W tabeli 1 wymieniono reprezentatywne temperatury i ciśnienia krytyczne.

Rysunek 2. Schematy fotowoltaiczne. (a) każda krzywa (izoterma) reprezentuje zależność między P I V w stałej temperaturze; górne krzywe są w wyższych temperaturach. Dolne krzywe nie są hiperbolami, ponieważ gaz nie jest już gazem idealnym. b) Rozszerzona część diagramu dla niskich temperatur, gdzie faza może zmienić się z gazu w ciecz. Termin „para” odnosi się do fazy gazowej, gdy występuje w temperaturze poniżej temperatury wrzenia.

diagramy fazowe

wykresy ciśnienia w stosunku do temperatur zapewniają znaczny wgląd w właściwości termiczne substancji. Istnieją dobrze zdefiniowane regiony na tych wykresach, które odpowiadają różnym fazom materii, więc wykresy PT nazywane są diagramami fazowymi. Rysunek 3 przedstawia schemat faz dla wody. Korzystając z wykresu, jeśli znasz ciśnienie i temperaturę, możesz określić fazę wody. Linie stałe-granice między fazami-wskazują temperatury i ciśnienia, przy których fazy współistnieją (to znaczy istnieją razem w proporcjach, w zależności od ciśnienia i temperatury). Na przykład temperatura wrzenia wody wynosi 100ºC przy 1,00 atm. Wraz ze wzrostem ciśnienia temperatura wrzenia stale wzrasta do 374ºC przy ciśnieniu 218 atm. Szybkowar (lub nawet przykryty garnek) gotuje jedzenie szybciej, ponieważ woda może istnieć jako ciecz w temperaturach większych niż 100ºC bez wrzenia. Krzywa kończy się w punkcie zwanym punktem krytycznym, ponieważ w wyższych temperaturach faza ciekła nie występuje pod żadnym ciśnieniem. Punkt krytyczny występuje w temperaturze krytycznej, jak widać dla wody z tabeli 1. Temperatura krytyczna dla tlenu wynosi -118ºc, więc tlen nie może być skroplony powyżej tej temperatury.

Rysunek 3. Schemat faz (Wykres PT) dla wody. Zauważ, że osie są nieliniowe, a Wykres nie jest skalowany. Wykres ten jest uproszczony – istnieje kilka innych egzotycznych faz lodu przy wyższych ciśnieniach.

podobnie, krzywa między regionami ciała stałego i cieczy na fig.3 daje temperaturę topnienia przy różnych ciśnieniach. Na przykład temperatura topnienia wynosi 0ºC przy 1,00 atm, zgodnie z oczekiwaniami. Należy pamiętać, że w stałej temperaturze można zmienić fazę z stałej (lód) na ciekłą (woda) poprzez zwiększenie ciśnienia. Lód topi się od ciśnienia w rękach twórcy śnieżek. Z diagramu fazowego można również powiedzieć, że temperatura topnienia lodu wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia. Kiedy samochód jest przejeżdżany po śniegu, zwiększone ciśnienie z opon topi płatki śniegu, a następnie woda refreezes i tworzy warstwę lodu.

przy wystarczająco niskim ciśnieniu nie ma fazy ciekłej, ale substancja może istnieć jako gaz lub ciało stałe. W przypadku wody nie ma fazy ciekłej przy ciśnieniu poniżej 0,00600 atm. Zmiana fazy ze stałej na gazową nazywana jest sublimacją. Odpowiada to za duże straty śniegu, które nigdy nie przedostają się do rzeki, rutynowe Automatyczne rozmrażanie zamrażarki i proces liofilizacji stosowany w wielu produktach spożywczych. Natomiast dwutlenek węgla sublimuje przy standardowym ciśnieniu atmosferycznym 1 atm. (Stała forma CO2 jest znana jako suchy lód, ponieważ nie topi się. Zamiast tego przechodzi bezpośrednio ze stanu stałego do stanu gazowego.)

wszystkie trzy krzywe na diagramie fazowym spotykają się w jednym punkcie, punkcie potrójnym, gdzie wszystkie trzy fazy istnieją w równowadze. Dla wody punkt potrójny występuje przy 273,16 K (0.01ºC) i jest dokładniejszą temperaturą kalibracji niż temperatura topnienia wody przy 1,00 atm lub 273,15 K (0,0 ºC). Wartości punktu potrójnego dla innych substancji patrz Tabela 2.

równowaga

fazy ciekłe i gazowe są w równowadze w temperaturze wrzenia. (Patrz Rysunek 4.) Jeśli substancja znajduje się w zamkniętym pojemniku w temperaturze wrzenia, to ciecz gotuje się, a Gaz kondensuje się w tym samym tempie, bez zmiany ich względnej ilości netto. Cząsteczki w cieczy uciekają jako gaz z taką samą szybkością, z jaką cząsteczki gazu przyklejają się do cieczy lub tworzą kropelki i stają się częścią fazy ciekłej. Połączenie temperatury i ciśnienia musi być „w sam raz”; jeśli temperatura i ciśnienie są zwiększone, równowaga jest utrzymywana przez ten sam wzrost szybkości wrzenia i kondensacji.

Fig. 4. Równowaga pomiędzy cieczą i gazem w dwóch różnych punktach wrzenia wewnątrz zamkniętego pojemnika. a) szybkość wrzenia i kondensacji są równe w tej kombinacji temperatury i ciśnienia, więc fazy ciekłe i gazowe są w równowadze. (b) w wyższej temperaturze szybkość wrzenia jest szybsza, a szybkość, z jaką cząsteczki opuszczają ciecz i wchodzą do gazu, jest również szybsza. Ponieważ w gazie jest więcej cząsteczek, ciśnienie gazu jest wyższe, a szybkość kondensacji cząsteczek gazu i przedostawania się do cieczy jest szybsza. W rezultacie gaz i ciecz znajdują się w równowadze w tej wyższej temperaturze.

One example of equilibrium between liquid and gas is that of water and steam at 100ºC and 1.00 atm. Ta temperatura jest temperaturą wrzenia przy tym ciśnieniu, więc powinny istnieć w równowadze. Dlaczego otwarty garnek z wodą w temperaturze 100ºC gotuje się całkowicie? Gaz otaczający otwarty garnek nie jest czystą wodą: miesza się z powietrzem. Jeśli czysta woda i para znajdują się w zamkniętym pojemniku w temperaturze 100ºC i 1,00 atm, współistnieją—ale z powietrzem nad garnkiem, jest mniej cząsteczek wody do kondensacji i gotuje się woda. A co z wodą o temperaturze 20 ° C i 1.00 atm? Ta temperatura i ciśnienie odpowiadają regionowi cieczy, ale Otwarta szklanka wody o tej temperaturze całkowicie odparuje. Ponownie, Gaz wokół niego jest powietrzem, a nie czystą parą wodną, tak że zmniejszona szybkość parowania jest większa niż szybkość kondensacji wody z suchego powietrza. Jeśli szkło jest zamknięte, pozostaje faza ciekła. Fazę gazową nazywamy parą, gdy istnieje, podobnie jak w przypadku wody o temperaturze 20,0 ºC, w temperaturze poniżej temperatury wrzenia.

ciśnienie pary, ciśnienie cząstkowe i prawo Daltona

ciśnienie pary jest zdefiniowane jako ciśnienie, przy którym gaz współistnieje z jego fazy stałej lub ciekłej. Ciśnienie pary jest tworzone przez szybsze cząsteczki, które odrywają się od cieczy lub ciała stałego i wchodzą w fazę gazową. Ciśnienie pary substancji zależy zarówno od substancji, jak i jej temperatury—wzrost temperatury zwiększa ciśnienie pary.

ciśnienie cząstkowe definiuje się jako ciśnienie, które wytworzyłby Gaz, gdyby zajmował całkowitą dostępną objętość. W mieszaninie gazów całkowite ciśnienie jest sumą ciśnień cząstkowych gazów składowych, przy założeniu idealnego zachowania gazu i braku reakcji chemicznych między składnikami. Prawo to jest znane jako prawo Daltona presji częściowej, po angielskim naukowcu John Dalton (1766-1844), który go zaproponował. Prawo Daltona opiera się na teorii kinetycznej, w której każdy Gaz tworzy swoje ciśnienie w wyniku zderzeń cząsteczkowych, niezależnie od innych obecnych gazów. Jest to zgodne z faktem, że ciśnienie dodaje się zgodnie z zasadą Pascala. W ten sposób woda odparowuje i lód sublimuje, gdy ich ciśnienie pary przekracza ciśnienie cząstkowe pary wodnej w otaczającej mieszaninie gazów. Jeśli ich ciśnienie pary jest mniejsze niż ciśnienie parcjalne pary wodnej w otaczającym gazie, tworzą się krople cieczy lub kryształy lodu (mróz).

: Stany materii-podstawy

ciepło, chłodzenie i kompresowanie atomów i cząsteczek oraz obserwowanie, jak zmieniają się między fazami stałymi, ciekłymi i gazowymi.

Kliknij, aby pobrać symulację. Uruchom przy użyciu Javy.

podsumowanie sekcji

• większość substancji ma trzy różne fazy: gaz, ciecz i ciało stałe.
• zmiany fazowe pomiędzy różnymi fazami materii zależą od temperatury i ciśnienia.
• istnienie trzech faz w odniesieniu do ciśnienia i temperatury można opisać na diagramie fazowym.
• dwie fazy współistnieją (tj. znajdują się w równowadze termicznej) w zestawie ciśnień i temperatur. Są one opisane jako linia na diagramie fazowym.
• trzy fazy współistnieją przy jednym ciśnieniu i temperaturze. Jest to znany jako punkt potrójny i jest opisany przez pojedynczy punkt na diagramie fazowym.
• gaz w temperaturze poniżej temperatury wrzenia nazywany jest parą.
• ciśnienie pary to ciśnienie, przy którym gaz współistnieje z jego fazą stałą lub ciekłą.
• ciśnienie cząstkowe jest ciśnieniem, które tworzyłby Gaz, gdyby istniał sam.
• prawo Daltona mówi, że ciśnienie całkowite jest sumą ciśnień cząstkowych wszystkich obecnych gazów.

Słowniczek

Wykres PV: wykres ciśnienia vs. objętości

punkt krytyczny: temperatura, powyżej której ciecz nie może istnieć

temperatura krytyczna: temperatura, powyżej której ciecz nie może istnieć

ciśnienie krytyczne: minimalne ciśnienie potrzebne do istnienia cieczy w temperaturze krytycznej

opary: gaz w temperaturze poniżej temperatury wrzenia

opary ciśnienie: ciśnienie, przy którym gaz współistnieje z fazą stałą lub ciekłą

schemat fazowy: wykres ciśnienia vs.

punkt potrójny: ciśnienie i temperatura, w których substancja istnieje w równowadze jako ciało stałe, ciecz i gaz

sublimacja: zmiana fazy z ciała stałego na gaz

ciśnienie cząstkowe: ciśnienie, które wytworzyłby Gaz, gdyby zajmował całkowitą objętość dostępnej przestrzeni

Prawo Daltona ciśnień cząstkowych: prawo fizyczne, które stwierdza, że całkowite ciśnienie gazu jest sumą ciśnień cząstkowych składnika gazy