obiective de învățare
până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea:
- interpreta o diagramă de fază.
- legea statului Dalton.
- identificați și descrieți punctul triplu al unui gaz din diagrama sa de fază.
- descrie starea de echilibru între un lichid și un gaz, un lichid și un solid și un gaz și un solid.
până în prezent, am luat în considerare comportamentul gazelor ideale. Gazele reale sunt ca gazele ideale la temperaturi ridicate. Cu toate acestea, la temperaturi mai scăzute, interacțiunile dintre molecule și volumele lor nu pot fi ignorate. Moleculele sunt foarte apropiate (apare condensarea) și există o scădere dramatică a volumului, așa cum se vede în Figura 1. Substanța se schimbă de la un gaz la un lichid. Când un lichid este răcit la temperaturi chiar mai scăzute, acesta devine solid. Volumul nu ajunge niciodată la zero din cauza volumului finit al moleculelor.
Figura 1. O schiță a volumului față de temperatură pentru un gaz real la presiune constantă. Partea liniară (linie dreaptă) a graficului reprezintă comportamentul ideal al gazului—volumul și temperatura sunt direct și pozitiv legate, iar linia extrapolează la volumul zero la -273,15 CENTICC sau zero absolut. Cu toate acestea, atunci când gazul devine lichid, volumul scade de fapt precipitat la punctul de lichefiere. Volumul scade ușor odată ce substanța este solidă, dar nu devine niciodată zero.
presiunea ridicată poate determina, de asemenea, un gaz să schimbe faza într-un lichid. Dioxidul de Carbon, de exemplu, este un gaz la temperatura camerei și presiunea atmosferică, dar devine un lichid sub presiune suficient de mare. Dacă presiunea este redusă, temperatura scade și dioxidul de carbon lichid se solidifică într-o substanță asemănătoare zăpezii la temperatura de 78 de grade Celsius. CO2 Solid se numește ” gheață uscată.”Un alt exemplu de gaz care poate fi într-o fază lichidă este azotul lichid (LN2). LN2 se face prin lichefierea aerului atmosferic (prin comprimare și răcire). Se fierbe la 77 K (–196 CENTICC) la presiunea atmosferică. LN2 este util ca agent frigorific și permite conservarea sângelui, a spermei și a altor materiale biologice. Este, de asemenea, utilizat pentru a reduce zgomotul în senzorii și echipamentele electronice și pentru a ajuta la răcirea firelor care transportă curentul. În dermatologie, LN2 este utilizat pentru înghețarea și îndepărtarea nedureroasă a verucilor și a altor creșteri de pe piele.
diagrame PV
putem examina aspecte ale comportamentului unei substanțe prin trasarea unui grafic al presiunii versus volum, numit diagramă PV. Când substanța se comportă ca un gaz ideal, legea gazului ideal descrie relația dintre presiunea și volumul său. Adică PV = NkT (gaz ideal).
acum, presupunând că numărul de molecule și temperatura sunt fixe, PV = constantă (gaz ideal, temperatură constantă).
de exemplu, volumul gazului va scădea odată cu creșterea presiunii. Dacă complotați relația PV = constantă pe o diagramă PV, găsiți o hiperbolă. Figura 2 prezintă un grafic al presiunii versus volum. Hiperbolele reprezintă un comportament ideal-gaz la diferite temperaturi fixe și se numesc izoterme. La temperaturi mai scăzute, curbele încep să arate mai puțin ca hiperbolele—gazul nu se comportă ideal și poate conține chiar lichid. Există un punct critic—adică o temperatură critică—peste care lichidul nu poate exista. La o presiune suficient de mare deasupra punctului critic, gazul va avea densitatea unui lichid, dar nu se va condensa. Dioxidul de Carbon, de exemplu, nu poate fi lichefiat la o temperatură mai mare de 31,0 CENTICC. Presiunea critică este presiunea minimă necesară pentru ca lichidul să existe la temperatura critică. Tabelul 1 enumeră temperaturile și presiunile critice reprezentative.
Figura 2. Diagrame PV. (a) fiecare curbă (Izotermă) reprezintă relația dintre P și V la o temperatură fixă; curbele superioare sunt la temperaturi mai ridicate. Curbele inferioare nu sunt hiperbole, deoarece gazul nu mai este un gaz ideal. (b) o porțiune extinsă a diagramei pentru temperaturi scăzute, în cazul în care faza se poate schimba de la un gaz la un lichid. Termenul „vapori” se referă la faza gazoasă atunci când există la o temperatură sub temperatura de fierbere.
| Tabelul 1. Temperaturi și presiuni critice | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| substanță | temperatură critică | presiune critică | |||
| K | de apă | 647.4 | 374.3 | 22.12 106 | 219.0 |
| dioxid de sulf | 430.7 | 157,6 | 7,88 int 106 | 78,0 | |
| amoniac | 405,5 | 132,4 | 11,28 int 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 | |
diagrame de fază
parcelele de presiune versus temperaturi oferă o perspectivă considerabilă asupra proprietăților termice ale substanțelor. Există regiuni bine definite pe aceste grafice care corespund diferitelor faze ale materiei, deci graficele PT se numesc diagrame de fază. Figura 3 prezintă diagrama de fază pentru apă. Folosind graficul, dacă cunoașteți presiunea și temperatura, puteți determina faza apei. Liniile solide—limitele dintre faze-indică temperaturi și presiuni la care fazele coexistă (adică există împreună în raporturi, în funcție de presiune și temperatură). De exemplu, punctul de fierbere al apei este de 100 CENTICC la 1,00 atm. Pe măsură ce presiunea crește, temperatura de fierbere crește constant până la 374 CENTICC la o presiune de 218 atm. Un aragaz sub presiune (sau chiar un vas acoperit) va găti mâncarea mai repede, deoarece apa poate exista ca lichid la temperaturi mai mari de 100 de CENTICC, fără ca totul să fiarbă. Curba se termină într-un punct numit punct critic, deoarece la temperaturi mai ridicate faza lichidă nu există la nicio presiune. Punctul critic apare la temperatura critică, după cum puteți vedea pentru apa din tabelul 1. Temperatura critică pentru oxigen este de-118 CENTICC, deci oxigenul nu poate fi lichefiat peste această temperatură.
Figura 3. Diagrama de fază (graficul PT) pentru apă. Rețineți că axele sunt neliniare și graficul nu este la scară. Acest grafic este simplificat—există mai multe alte faze exotice de gheață la presiuni mai mari.
în mod similar, curba dintre regiunile solide și lichide din Figura 3 Dă temperatura de topire la diferite presiuni. De exemplu, punctul de topire este de 0 CENTICC la 1,00 atm, așa cum era de așteptat. Rețineți că, la o temperatură fixă, puteți schimba faza de la solid (gheață) la lichid (apă) prin creșterea presiunii. Gheața se topește din presiune în mâinile unui producător de bulgăre de zăpadă. Din diagrama de fază, putem spune, de asemenea, că temperatura de topire a gheții crește odată cu creșterea presiunii. Când o mașină este condusă peste zăpadă, presiunea crescută din anvelope topește fulgii de zăpadă; după aceea, apa îngheață și formează un strat de gheață.
la presiuni suficient de scăzute nu există fază lichidă, dar substanța poate exista fie ca gaz sau solid. Pentru apă, nu există o fază lichidă la presiuni sub 0,00600 atm. Schimbarea fazei de la solid la gaz se numește sublimare. Acesta reprezintă pierderi mari de pachete de zăpadă care nu ajung niciodată într-un râu, dezghețarea automată de rutină a unui congelator și procesul de liofilizare aplicat multor alimente. Dioxidul de Carbon, pe de altă parte, sublimează la presiunea atmosferică standard de 1 atm. (Forma solidă de CO2 este cunoscută sub numele de gheață uscată, deoarece nu se topește. În schimb, se deplasează direct de la solid la starea de gaz.)
toate cele trei curbe din diagrama de fază se întâlnesc într-un singur punct, punctul triplu, unde toate cele trei faze există în echilibru. Pentru apă, Punctul triplu are loc la 273,16 K (0.01, și este o temperatură de etalonare mai precisă decât punctul de topire al apei la 1,00 atm, sau 273,15 K (0,0,,). A se vedea tabelul 2 pentru valorile punctelor triple ale altor substanțe.
echilibrul
fazele lichide și gazoase sunt în echilibru la temperatura de fierbere. (A Se Vedea Figura 4.) Dacă o substanță se află într-un recipient închis la punctul de fierbere, atunci lichidul fierbe și gazul se condensează la aceeași viteză fără modificarea netă a cantității relative. Moleculele din lichid scapă ca gaz la aceeași rată la care moleculele de gaz se lipesc de lichid sau formează picături și devin parte a fazei lichide. Combinația dintre temperatură și presiune trebuie să fie „corectă”; dacă temperatura și presiunea sunt crescute, echilibrul este menținut de aceeași creștere a ratelor de fierbere și condensare.
Figura 4. Echilibru între lichid și gaz la două puncte de fierbere diferite în interiorul unui recipient închis. (a) ratele de fierbere și condensare sunt egale la această combinație de temperatură și presiune, astfel încât fazele lichide și gazoase sunt în echilibru. (b) la o temperatură mai ridicată, viteza de fierbere este mai rapidă, iar ratele la care moleculele părăsesc lichidul și intră în gaz sunt, de asemenea, mai rapide. Deoarece există mai multe molecule în gaz, presiunea gazului este mai mare, iar rata la care moleculele de gaz se condensează și intră în lichid este mai rapidă. Ca urmare, gazul și lichidul sunt în echilibru la această temperatură mai ridicată.
| Tabelul 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. Această temperatură este punctul de fierbere la acea presiune, deci ar trebui să existe în echilibru. De ce o oală deschisă cu apă la 100 de CENTICCI se fierbe complet? Gazul care înconjoară o oală deschisă nu este apă pură: este amestecat cu aer. Dacă apa pură și aburul se află într—un recipient închis la 100 UNKTC și 1,00 atm, acestea ar coexista-dar cu aerul peste oală, există mai puține molecule de apă de condensat, iar apa fierbe. Ce zici de apă la 20.0 CENTICC și 1.00 atm? Această temperatură și presiune corespund regiunii lichide, totuși un pahar deschis de apă la această temperatură se va evapora complet. Din nou, gazul din jurul său este aer și nu vapori de apă pură, astfel încât rata redusă de evaporare este mai mare decât rata de condensare a apei din aerul uscat. Dacă sticla este sigilată, atunci faza lichidă rămâne. Numim faza gazoasă o vapori atunci când există, așa cum se întâmplă pentru apă la 20,0 CENTICC, la o temperatură sub temperatura de fierbere.
verificați-vă înțelegerea
explicați de ce o ceașcă de apă (sau sifon) cu cuburi de gheață rămâne la 0 UNKTC, chiar și într-o zi fierbinte de vară.
soluție
gheața și apa lichidă sunt în echilibru termic, astfel încât temperatura să rămână la temperatura de îngheț atâta timp cât gheața rămâne în lichid. (Odată ce toată gheața se topește, temperatura apei va începe să crească.)
presiunea vaporilor, Presiunea parțială și Legea lui Dalton
presiunea vaporilor este definită ca presiunea la care un gaz coexistă cu faza sa solidă sau lichidă. Presiunea vaporilor este creată de molecule mai rapide care se desprind de lichid sau solid și intră în faza gazoasă. Presiunea vaporilor unei substanțe depinde atât de substanță, cât și de temperatura acesteia—o creștere a temperaturii crește presiunea vaporilor.
presiunea parțială este definită ca presiunea pe care un gaz ar crea-o dacă ar ocupa volumul total disponibil. Într-un amestec de gaze, presiunea totală este suma presiunilor parțiale ale gazelor componente, presupunând un comportament ideal al gazului și fără reacții chimice între componente. Această lege este cunoscută sub numele de legea presiunilor parțiale a lui Dalton, după omul de știință englez John Dalton (1766-1844), care a propus-o. Legea lui Dalton se bazează pe teoria cinetică, în care fiecare gaz își creează presiunea prin coliziuni moleculare, independent de alte gaze prezente. Este în concordanță cu faptul că presiunile se adaugă conform principiului lui Pascal. Astfel, apa se evaporă și gheața se sublimează atunci când presiunile lor de vapori depășesc presiunea parțială a vaporilor de apă din amestecul de gaze din jur. Dacă presiunile lor de vapori sunt mai mici decât presiunea parțială a vaporilor de apă din gazul înconjurător, se formează picături de lichid sau cristale de gheață (îngheț).
verificați-vă înțelegerea
transferul de energie este implicat într-o schimbare de fază? Dacă da, va trebui furnizată energie pentru a schimba faza de la solid la lichid și lichid la gaz? Ce zici de gaz la lichid și lichid la solid? De ce pulverizează portocalii cu apă în Florida când temperaturile sunt aproape sau chiar sub îngheț?
soluție
Da, transferul de energie este implicat într-o schimbare de fază. Știm că atomii și moleculele din solide și lichide sunt legate între ele, deoarece știm că forța este necesară pentru a le separa. Deci, într-o schimbare de fază de la solid la lichid și lichid la gaz, trebuie exercitată o forță, poate prin coliziune, pentru a separa atomii și moleculele. Forța exercitată la distanță este muncă, iar energia este necesară pentru a lucra pentru a trece de la solid la lichid și lichid la gaz. Acest lucru este intuitiv în concordanță cu nevoia de energie pentru a topi gheața sau a fierbe apa. Inversul este, de asemenea, adevărat. Trecerea de la gaz la lichid sau lichid la solid implică atomi și molecule care se împing împreună, lucrează și eliberează energie.
explorări PhET: Stări de materie-elemente de bază
încălziți, răciți și comprimați atomii și moleculele și urmăriți cum se schimbă între fazele solide, lichide și gazoase.
Faceți clic pentru a descărca simularea. Rulați folosind Java.
Rezumatul secțiunii
- majoritatea substanțelor au trei faze distincte: gaz, lichid și solid.
- schimbările de fază între diferitele faze ale materiei depind de temperatură și presiune.
- existența celor trei faze în ceea ce privește presiunea și temperatura poate fi descrisă într-o diagramă de fază.
- două faze coexistă (adică sunt în echilibru termic) la un set de presiuni și temperaturi. Acestea sunt descrise ca o linie pe o diagramă de fază.
- cele trei faze coexistă la o singură presiune și temperatură. Acest lucru este cunoscut sub numele de punct triplu și este descris de un singur punct pe o diagramă de fază.
- un gaz la o temperatură sub punctul său de fierbere se numește vapori.
- presiunea vaporilor este presiunea la care un gaz coexistă cu faza sa solidă sau lichidă.
- presiunea parțială este presiunea pe care un gaz ar crea-o dacă ar exista singur.Legea lui Dalton afirmă că presiunea totală este suma presiunilor parțiale ale tuturor gazelor prezente.
întrebări conceptuale
- o oală sub presiune conține apă și abur în echilibru la o presiune mai mare decât presiunea atmosferică. Cum crește această presiune mai mare viteza de gătit?
- de ce se formează condensul cel mai rapid pe cel mai rece obiect dintr—o cameră-de exemplu, pe un pahar cu apă cu gheață?
- care este presiunea de vapori a dioxidului de carbon solid (gheață carbonică) la -78,5 CENTICC?
Figura 5. Diagrama de fază pentru dioxidul de carbon. Axele sunt neliniare, iar graficul nu este la scară. Gheața carbonică este dioxid de carbon solid și are o temperatură de sublimare de -78,5 UNKTICC.
- dioxidul de carbon poate fi lichefiat la temperatura camerei (20 XQC)? Dacă da, cum? Dacă nu, de ce nu? (Vezi Figura 5)
- oxigenul nu poate fi lichefiat la temperatura camerei plasându-l sub o presiune suficient de mare pentru a-și forța moleculele împreună. Explicați de ce este acest lucru.
- care este distincția dintre Gaz și vapori?
Glosar
diagrama PV: un grafic de presiune vs. volum
punct critic: temperatura peste care un lichid nu poate exista
temperatura critică: temperatura peste care un lichid nu poate exista
presiune critică: presiunea minimă necesară pentru ca un lichid să existe la temperatura critică
vapori: un gaz la o temperatură sub temperatura de fierbere
presiunea la care un gaz coexistă cu faza sa solidă sau lichidă
diagrama fazei: un grafic al presiunii vs. temperatura unei anumite substanțe, arătând la ce presiuni și temperaturi apar cele trei faze ale substanței
punct triplu: presiunea și temperatura la care o substanță există în echilibru ca solid, lichid și gaz
sublimare: schimbarea de fază de la solid la gaz
presiune parțială: presiunea pe care un gaz ar crea-o dacă ar ocupa volumul total de spațiu disponibil
Legea presiunilor parțiale a lui Dalton: legea fizică care afirmă că presiunea totală a unui gaz este suma presiunilor parțiale ale componentei gaze