Faza keçidləri: qızdırma əyriləri, buxar təzyiqi və faza diaqramları

Ərimə və qaynama zamanı temperatur niyə dəyişmir

Buz parçasını sabit sürətlə qızdırıb temperaturunu qeyd etsəniz, qızdırma əyrisi alırsınız. Temperatur yüksəlir, buz əriyərkən 0 °C-də dayanır, yenidən yüksəlir, sonra su qaynayarkən 100 °C-də dayanır. Üfüqi hissələrdə enerji molekulları daha sürətli hərəkət etdirməyə deyil, onları molekullararası cazibəyə qarşı bir-birindən ayırmağa sərf olunur, buna görə faza keçidi başa çatana qədər temperatur dəyişmir.

İki növ hissə iki fərqli tənlik tələb edir. Bir faza daxilində q = m × c × ΔT, burada c xüsusi istilik tutumudur. Sabit temperaturda faza keçidi zamanı q = n × ΔH, burada ΔH ərimənin və ya buxarlanmanın molyar entalpiyasıdır. Ərimə, buxarlanma və sublimasiya endotermikdir. Donma, kondensasiya və desublimasiya eyni miqdarda enerji ayırır, buna görə onların ΔH qiymətlərinin işarəsi əksdir.

Həll olunmuş nümunə: buzun buxara qədər qızdırılması

−15.0 °C-dəki 40.0 g buzu 100.0 °C-də su buxarına çevirmək üçün nə qədər istilik lazımdır? Məlumatlar: xüsusi istilik tutumu buz üçün 2.093 J/(g·°C), maye su üçün 4.184 J/(g·°C) (OpenStax Cədvəl 5.1); 0 °C-də ΔHfus = 6.01 kJ/mol və 100 °C-də ΔHvap = 40.67 kJ/mol (OpenStax bölmə 10.3). Suyun miqdarı n = 40.0 g ÷ 18.015 g/mol = 2.220 mol-dur.

Addım 1, buzu qızdırın: 40.0 × 2.093 × 15.0 = 1256 J və ya 1.26 kJ. Addım 2, onu əridin: 2.220 mol × 6.01 kJ/mol = 13.3 kJ. Addım 3, mayeni 0 °C-dən 100 °C-yə qədər qızdırın: 40.0 × 4.184 × 100.0 = 16 736 J və ya 16.7 kJ. Addım 4, onu qaynadın: 2.220 mol × 40.67 kJ/mol = 90.3 kJ. Cəmi: 1.26 + 13.3 + 16.7 + 90.3 = 122 kJ, üç əhəmiyyətli rəqəmlə.

Qaynama cəmin təxminən 74 faizini təşkil edir; bu, mayeni 100 dərəcə qızdırmaq üçün lazım olan istilikdən beş dəfədən çoxdur. ΔHvap-ın qaynamanın baş verdiyi temperaturdakı qiymətindən istifadə edin. 25 °C-də suyun ΔHvap-ı 44.01 kJ/mol-dur və burada bu ədəddən istifadə etmək 4-cü addımı təxminən 8 faiz şişirdərdi.

Buxar təzyiqi və Klauzius–Klapeyron tənliyi

Qapalı qabda maye kondensasiyanın sürəti buxarlanmanın sürətinə bərabərləşənə qədər buxarlanır. Bu anda buxarın təzyiqi buxar təzyiqidir və o, temperaturla kəskin artır. Maye buxar təzyiqi onun üzərindəki təzyiqə bərabər olduqda qaynayır, buna görə normal qaynama temperaturu buxar təzyiqinin 1 atm-ə çatdığı temperaturdur.

Klauzius–Klapeyron tənliyinin iki nöqtəli forması iki buxar təzyiqini buxarlanma entalpiyası ilə əlaqələndirir: ln(P₂/P₁) = (ΔHvap/R)(1/T₁ − 1/T₂), burada R = 8.314 J/(mol·K), temperaturlar isə kelvinlədir. O, ΔHvap-ın interval boyunca sabit olduğunu fərz edir, buna görə ən yaxşı nəticəni mülayim temperatur intervallarında verir.

Həll olunmuş nümunə 1. OpenStax Cədvəl 9.2 suyun buxar təzyiqini 20 °C-də 17.5 torr, 60 °C-də isə 149.4 torr kimi verir. ln(149.4/17.5) = 2.144 və 1/293.15 K − 1/333.15 K = 4.096 × 10⁻⁴ K⁻¹. ΔHvap = (8.314 × 2.144) ÷ 4.096 × 10⁻⁴ = 4.35 × 10⁴ J/mol və ya 43.5 kJ/mol. Bu, 20 °C ilə 60 °C arasındakı orta qiymətdir. O, gözlənildiyi kimi 25 °C-dəki (44.01) və 100 °C-dəki (40.67) qiymətlər arasındadır.

Həll olunmuş nümunə 2. Hava təzyiqi 0.800 atm olduqda su hansı temperaturda qaynayır? 1.000 atm-də 373.15 K olan normal qaynama temperaturundan başlayın və ΔHvap = 40.67 kJ/mol götürün. 1/T₂ = 1/373.15 − (8.314/40 670) × ln(0.800) = 2.7255 × 10⁻³ K⁻¹, buna görə T₂ = 366.9 K və ya 93.8 °C. Yoxlama: 0.800 atm 608 torr-dur və Cədvəl 9.2-də 90 °C ilə 95 °C arasında interpolyasiya da 93.8 °C verir.

Faza diaqramının oblastlarının, xətlərinin və nöqtələrinin oxunması

Faza diaqramı təzyiqi temperaturdan asılı olaraq göstərir və hər şərait dəsti üçün hansı fazanın sabit olduğunu bildirir. Hər oblast bir fazadır. Hər xətt iki fazanın tarazlıqda birgə mövcud olduğu şəraitlər çoxluğudur: ərimə əyrisi boyunca bərk və maye, buxar təzyiqi əyrisi boyunca maye və qaz, sublimasiya əyrisi boyunca isə bərk və qaz.

Üç xətt üçlük nöqtədə, yəni bərk, maye və qazın birgə mövcud olduğu yeganə temperatur və təzyiqdə kəsişir. Buxar təzyiqi əyrisi böhran nöqtəsində bitir. Böhran temperaturundan yuxarıda heç bir təzyiq qazı mayeyə çevirmir və maddə xassələri maye ilə qaz arasında olan superkritik flüidə çevrilir.

Diaqramdan istifadə etmək üçün başlanğıc şəraiti tapın və məsələnin təsvir etdiyi yol boyunca hərəkət edin. Sabit təzyiqdə qızdırma soldan sağa üfüqi xətdir və onun keçdiyi hər sərhəd faza keçididir. Sabit temperaturda sıxılma yuxarı doğru şaquli xətdir. Üçlük nöqtənin təzyiqindən aşağıda çəkilmiş üfüqi xətt yalnız sublimasiya əyrisini kəsir, buna görə bərk maddə birbaşa qaza çevrilir.

Suyun tərs meyilli ərimə xətti və quru buzun yüksək üçlük nöqtəsi

Suyun üçlük nöqtəsi 0.01 °C və 0.0061 bar-dadır (NIST Chemistry WebBook), bu da təxminən 0.0060 atm-dir. Onun böhran nöqtəsi 374 °C və 218 atm-dədir (OpenStax bölmə 10.4). Qeyri-adi olaraq onun bərk–maye xətti bir qədər sola meyillidir: təzyiqin artırılması ərimə temperaturunu bir az aşağı salır, çünki buzun sıxlığı maye suyunkundan azdır və təzyiq daha sıx fazaya üstünlük verir. Əksər maddələrdə meyil əksinədir.

Karbon dioksidin üçlük nöqtəsi 216.58 K (−56.57 °C) və 5.185 bar-dadır, bu da 5.12 atm-dir (NIST Chemistry WebBook). Bu təzyiq 1 atm-dən yuxarı olduğundan maye CO₂ açıq havada mövcud ola bilməz. 1 atm-də bərk CO₂ (quru buz) ərimək əvəzinə sublimasiya edir. Onun böhran nöqtəsi, 31.0 °C və 73.8 bar, kifayət qədər aşağıdır ki, superkritik CO₂ sənayedə həlledici kimi istifadə olunur, məsələn, qəhvə dənələrindən kofeini çıxarmaq üçün.

Həll olunmuş nümunə 3. Üçlük nöqtədən və sublimasiya entalpiyasından, ΔHsub = 26.1 kJ/mol (NIST WebBook, təxminən 207 K-də ölçülüb), başlayaraq quru buzun 1 atm-də (1.01325 bar) sublimasiya etdiyi temperaturu qiymətləndirin. Klauzius–Klapeyron tənliyi bərk–qaz xətti üçün də maye–qaz xətti üçün olduğu kimi işləyir. ln(1.01325/5.185) = −1.633. 1/T₂ = 1/216.58 − (8.314/26 100) × (−1.633) = 5.137 × 10⁻³ K⁻¹, buna görə T₂ = 194.7 K və ya −78.5 °C. Bu, LibreTexts-də göstərilən −78.5 °C normal sublimasiya temperaturu ilə üst-üstə düşür.

Faza keçidi hesablamalarında səhvlər

Səhvlərin çoxu qızdırma əyrisinin iki növ hissəsini qarışdırmaqdan və ya Klauzius–Klapeyron tənliyində vahid sürüşmələrindən yaranır. Nəyisə hesablamazdan əvvəl qızdırma əyrisinin eskizini çəkin və hər hissəni işarələyin.

• Faza keçidi addımını buraxmaq və ya ΔT-nin sıfır olduğu üfüqi hissəyə q = mcΔT tətbiq etmək.
• Buz və ya buxar üçün maye suyun xüsusi istilik tutumundan istifadə etmək. Hər fazanın öz qiyməti var.
• Addımları toplayarkən joul və kilojoulu qarışdırmaq. Cəmləməzdən əvvəl hər şeyi bir vahidə çevirin.
• Molyar istilik tutumlarından ardıcıl istifadə etmirsinizsə, ΔH-ı mollar əvəzinə qramlara, c-ni isə qramlar əvəzinə mollara vurmaq.
• Klauzius–Klapeyron tənliyində Selsi temperaturlarından istifadə etmək. Yalnız kelvinlər işləyir, çünki tənlikdə 1/T var.
• ΔH joulla verildikdə R = 0.08206 L·atm/(mol·K) götürmək. ΔH J/mol ilə olduqda R 8.314 J/(mol·K) olmalıdır.
• Faza diaqramının təzyiq oxunu, CO₂ üçün çox vaxt olduğu kimi, loqarifmik olduğu halda xətti kimi oxumaq.