ການປ່ຽນແປງເຟສ: ເສັ້ນໂຄ້ງການໃຫ້ຄວາມຮ້ອນ, ຄວາມດັນໄອ ແລະ ແຜນພາບເຟສ

ເປັນຫຍັງອຸນຫະພູມຈຶ່ງຢຸດນິ່ງລະຫວ່າງການຫຼອມເຫຼວ ແລະ ການເດືອດ

ໃຫ້ຄວາມຮ້ອນແກ່ກ້ອນນ້ຳກ້ອນໃນອັດຕາຄົງທີ່ ແລະ ບັນທຶກອຸນຫະພູມຂອງມັນ, ແລ້ວທ່ານຈະໄດ້ເສັ້ນໂຄ້ງການໃຫ້ຄວາມຮ້ອນ. ອຸນຫະພູມເພີ່ມຂຶ້ນ, ຢຸດທີ່ 0 °C ໃນຂະນະທີ່ນ້ຳກ້ອນລະລາຍ, ເພີ່ມຂຶ້ນອີກ, ແລ້ວຢຸດທີ່ 100 °C ໃນຂະນະທີ່ນ້ຳເດືອດ. ໃນຊ່ວງທີ່ຮາບພຽງ, ພະລັງງານຖືກໃຊ້ແຍກໂມເລກຸນອອກຈາກກັນໂດຍຕ້ານແຮງດຶງດູດລະຫວ່າງໂມເລກຸນ, ບໍ່ແມ່ນເຮັດໃຫ້ມັນເຄື່ອນທີ່ໄວຂຶ້ນ, ສະນັ້ນອຸນຫະພູມຈຶ່ງບໍ່ປ່ຽນຈົນກວ່າການປ່ຽນແປງເຟສຈະສົມບູນ.

ສ່ວນທັງສອງປະເພດຕ້ອງໃຊ້ສົມຜົນທີ່ຕ່າງກັນ. ພາຍໃນເຟສດຽວ, q = m × c × ΔT, ເຊິ່ງ c ແມ່ນຄວາມຮ້ອນຈຳເພາະ. ລະຫວ່າງການປ່ຽນແປງເຟສທີ່ອຸນຫະພູມຄົງທີ່, q = n × ΔH, ເຊິ່ງ ΔH ແມ່ນເອນທາລປີໂມລາຂອງການຫຼອມເຫຼວ ຫຼື ການກາຍເປັນໄອ. ການຫຼອມເຫຼວ, ການກາຍເປັນໄອ ແລະ ການລະເຫີດເປັນການດູດຄວາມຮ້ອນ. ການແຂງຕົວ, ການຄວບແໜ້ນ ແລະ ການລະເຫີດກັບປ່ອຍພະລັງງານອອກມາເທົ່າກັນ, ສະນັ້ນຄ່າ ΔH ຂອງມັນຈຶ່ງມີເຄື່ອງໝາຍກົງກັນຂ້າມ.

ຕົວຢ່າງທີ່ແກ້ແລ້ວ: ການເຮັດໃຫ້ນ້ຳກ້ອນອຸ່ນຂຶ້ນຈົນກາຍເປັນໄອນ້ຳ

ຕ້ອງໃຊ້ຄວາມຮ້ອນເທົ່າໃດເພື່ອປ່ຽນນ້ຳກ້ອນ 40.0 g ທີ່ −15.0 °C ໃຫ້ເປັນໄອນ້ຳທີ່ 100.0 °C? ຂໍ້ມູນ: ຄວາມຮ້ອນຈຳເພາະ 2.093 J/(g·°C) ສຳລັບນ້ຳກ້ອນ ແລະ 4.184 J/(g·°C) ສຳລັບນ້ຳທີ່ເປັນຂອງແຫຼວ (ຕາຕະລາງ 5.1 ຂອງ OpenStax); ΔHfus = 6.01 kJ/mol ທີ່ 0 °C ແລະ ΔHvap = 40.67 kJ/mol ທີ່ 100 °C (ພາກ 10.3 ຂອງ OpenStax). ຈຳນວນນ້ຳແມ່ນ n = 40.0 g ÷ 18.015 g/mol = 2.220 mol.

ຂັ້ນຕອນ 1, ເຮັດໃຫ້ນ້ຳກ້ອນອຸ່ນຂຶ້ນ: 40.0 × 2.093 × 15.0 = 1256 J, ຫຼື 1.26 kJ. ຂັ້ນຕອນ 2, ເຮັດໃຫ້ມັນລະລາຍ: 2.220 mol × 6.01 kJ/mol = 13.3 kJ. ຂັ້ນຕອນ 3, ເຮັດໃຫ້ຂອງແຫຼວອຸ່ນຂຶ້ນຈາກ 0 °C ເຖິງ 100 °C: 40.0 × 4.184 × 100.0 = 16 736 J, ຫຼື 16.7 kJ. ຂັ້ນຕອນ 4, ຕົ້ມມັນ: 2.220 mol × 40.67 kJ/mol = 90.3 kJ. ລວມ: 1.26 + 13.3 + 16.7 + 90.3 = 122 kJ, ເປັນເລກສຳຄັນສາມຕົວ.

ການເດືອດກວມເອົາປະມານ 74 ເປີເຊັນຂອງທັງໝົດ, ຫຼາຍກວ່າຫ້າເທົ່າຂອງຄວາມຮ້ອນທີ່ຕ້ອງໃຊ້ເພື່ອເຮັດໃຫ້ຂອງແຫຼວອຸ່ນຂຶ້ນ 100 ອົງສາ. ໃຫ້ໃຊ້ຄ່າ ΔHvap ທີ່ອຸນຫະພູມທີ່ການເດືອດເກີດຂຶ້ນ. ທີ່ 25 °C, ΔHvap ຂອງນ້ຳແມ່ນ 44.01 kJ/mol, ແລະ ການໃຊ້ຕົວເລກນັ້ນຢູ່ນີ້ຈະເຮັດໃຫ້ຂັ້ນຕອນ 4 ສູງເກີນປະມານ 8 ເປີເຊັນ.

ຄວາມດັນໄອ ແລະ ສົມຜົນຄລາວຊີອຸສ–ຄລາເປຣອງ

ໃນພາຊະນະປິດ, ຂອງແຫຼວລະເຫີຍຈົນກວ່າອັດຕາການຄວບແໜ້ນຈະເທົ່າກັບມັນ. ຄວາມດັນຂອງໄອທີ່ຈຸດນັ້ນແມ່ນຄວາມດັນໄອ, ແລະ ມັນເພີ່ມຂຶ້ນຢ່າງໄວຕາມອຸນຫະພູມ. ຂອງແຫຼວເດືອດເມື່ອຄວາມດັນໄອຂອງມັນເທົ່າກັບຄວາມດັນເໜືອມັນ, ສະນັ້ນຈຸດເດືອດປົກກະຕິແມ່ນອຸນຫະພູມທີ່ຄວາມດັນໄອເຖິງ 1 atm.

ຮູບແບບສອງຈຸດຂອງສົມຜົນຄລາວຊີອຸສ–ຄລາເປຣອງເຊື່ອມໂຍງຄວາມດັນໄອສອງຄ່າກັບເອນທາລປີຂອງການກາຍເປັນໄອ: ln(P₂/P₁) = (ΔHvap/R)(1/T₁ − 1/T₂), ໂດຍ R = 8.314 J/(mol·K) ແລະ ອຸນຫະພູມເປັນເຄວິນ. ມັນສົມມຸດວ່າ ΔHvap ຄົງທີ່ຕະຫຼອດຊ່ວງ, ສະນັ້ນມັນໃຊ້ໄດ້ດີທີ່ສຸດໃນຊ່ວງອຸນຫະພູມທີ່ບໍ່ກວ້າງຫຼາຍ.

ຕົວຢ່າງທີ່ແກ້ແລ້ວ 1. ຕາຕະລາງ 9.2 ຂອງ OpenStax ໃຫ້ຄວາມດັນໄອຂອງນ້ຳເປັນ 17.5 torr ທີ່ 20 °C ແລະ 149.4 torr ທີ່ 60 °C. ln(149.4/17.5) = 2.144, ແລະ 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, ຫຼື 43.5 kJ/mol. ນີ້ແມ່ນຄ່າສະເລ່ຍຕະຫຼອດ 20 °C ເຖິງ 60 °C. ມັນຢູ່ລະຫວ່າງຄ່າທີ່ 25 °C (44.01) ແລະ ທີ່ 100 °C (40.67), ຕາມທີ່ຄວນເປັນ.

ຕົວຢ່າງທີ່ແກ້ແລ້ວ 2. ນ້ຳເດືອດທີ່ອຸນຫະພູມເທົ່າໃດເມື່ອຄວາມດັນອາກາດແມ່ນ 0.800 atm? ເລີ່ມຈາກຈຸດເດືອດປົກກະຕິ, 373.15 K ທີ່ 1.000 atm, ແລະ ໃຊ້ ΔHvap = 40.67 kJ/mol. 1/T₂ = 1/373.15 − (8.314/40 670) × ln(0.800) = 2.7255 × 10⁻³ K⁻¹, ສະນັ້ນ T₂ = 366.9 K, ຫຼື 93.8 °C. ເພື່ອກວດ, 0.800 atm ແມ່ນ 608 torr, ແລະ ການປະມານຄ່າລະຫວ່າງ 90 °C ແລະ 95 °C ໃນຕາຕະລາງ 9.2 ກໍໃຫ້ 93.8 °C ເຊັ່ນກັນ.

ການອ່ານພື້ນທີ່, ເສັ້ນ ແລະ ຈຸດຂອງແຜນພາບເຟສ

ແຜນພາບເຟສເປັນກຣາບຂອງຄວາມດັນທຽບກັບອຸນຫະພູມ ແລະ ສະແດງວ່າເຟສໃດສະຖຽນພາຍໃຕ້ແຕ່ລະສະພາບ. ແຕ່ລະພື້ນທີ່ແມ່ນເຟສໜຶ່ງ. ແຕ່ລະເສັ້ນແມ່ນຊຸດຂອງສະພາບທີ່ສອງເຟສຢູ່ຮ່ວມກັນໃນສະມະດຸນ: ຂອງແຂງ ແລະ ຂອງແຫຼວຕາມເສັ້ນໂຄ້ງການຫຼອມເຫຼວ, ຂອງແຫຼວ ແລະ ແກັສຕາມເສັ້ນໂຄ້ງຄວາມດັນໄອ, ແລະ ຂອງແຂງ ແລະ ແກັສຕາມເສັ້ນໂຄ້ງການລະເຫີດ.

ເສັ້ນທັງສາມພົບກັນທີ່ຈຸດຮ່ວມສາມ, ເຊິ່ງເປັນອຸນຫະພູມ ແລະ ຄວາມດັນດຽວທີ່ຂອງແຂງ, ຂອງແຫຼວ ແລະ ແກັສຢູ່ຮ່ວມກັນທັງໝົດ. ເສັ້ນໂຄ້ງຄວາມດັນໄອສິ້ນສຸດທີ່ຈຸດວິກິດ. ເໜືອອຸນຫະພູມວິກິດ, ບໍ່ວ່າຄວາມດັນຈະເທົ່າໃດກໍບໍ່ສາມາດເຮັດໃຫ້ແກັສກາຍເປັນຂອງແຫຼວໄດ້, ແລະ ສານຈະກາຍເປັນຂອງໄຫຼເໜືອວິກິດທີ່ມີສົມບັດຢູ່ລະຫວ່າງຂອງແຫຼວ ແລະ ແກັສ.

ເພື່ອໃຊ້ແຜນພາບ, ໃຫ້ຫາສະພາບເລີ່ມຕົ້ນ ແລະ ເຄື່ອນໄປຕາມເສັ້ນທາງທີ່ໂຈດອະທິບາຍ. ການໃຫ້ຄວາມຮ້ອນທີ່ຄວາມດັນຄົງທີ່ແມ່ນເສັ້ນນອນຈາກຊ້າຍຫາຂວາ, ແລະ ທຸກເສັ້ນແບ່ງທີ່ມັນຂ້າມແມ່ນການປ່ຽນແປງເຟສ. ການອັດທີ່ອຸນຫະພູມຄົງທີ່ແມ່ນເສັ້ນຕັ້ງທີ່ເຄື່ອນຂຶ້ນ. ເສັ້ນນອນທີ່ແຕ້ມຕ່ຳກວ່າຄວາມດັນຂອງຈຸດຮ່ວມສາມຂ້າມພຽງເສັ້ນໂຄ້ງການລະເຫີດ, ສະນັ້ນຂອງແຂງຈຶ່ງກາຍເປັນແກັສໂດຍກົງ.

ເສັ້ນການຫຼອມເຫຼວທີ່ອຽງກັບຂອງນ້ຳ ແລະ ຈຸດຮ່ວມສາມທີ່ສູງຂອງນ້ຳກ້ອນແຫ້ງ

ຈຸດຮ່ວມສາມຂອງນ້ຳຢູ່ທີ່ 0.01 °C ແລະ 0.0061 bar (NIST Chemistry WebBook), ເຊິ່ງປະມານ 0.0060 atm. ຈຸດວິກິດຂອງມັນຢູ່ທີ່ 374 °C ແລະ 218 atm (ພາກ 10.4 ຂອງ OpenStax). ຜິດປົກກະຕິ, ເສັ້ນຂອງແຂງ–ຂອງແຫຼວຂອງມັນອຽງໄປທາງຊ້າຍເລັກນ້ອຍ: ການເພີ່ມຄວາມດັນເຮັດໃຫ້ຈຸດຫຼອມເຫຼວຫຼຸດລົງເລັກນ້ອຍ, ເພາະນ້ຳກ້ອນມີຄວາມໜາແໜ້ນໜ້ອຍກວ່ານ້ຳທີ່ເປັນຂອງແຫຼວ ແລະ ຄວາມດັນເອື້ອອຳນວຍໃຫ້ເຟສທີ່ໜາແໜ້ນກວ່າ. ສານສ່ວນໃຫຍ່ມີຄວາມອຽງກົງກັນຂ້າມ.

ຈຸດຮ່ວມສາມຂອງຄາບອນໄດອອກໄຊດ໌ຢູ່ທີ່ 216.58 K (−56.57 °C) ແລະ 5.185 bar, ເຊິ່ງເທົ່າກັບ 5.12 atm (NIST Chemistry WebBook). ເນື່ອງຈາກຄວາມດັນນັ້ນສູງກວ່າ 1 atm, CO₂ ທີ່ເປັນຂອງແຫຼວຈຶ່ງບໍ່ສາມາດມີຢູ່ໃນອາກາດເປີດ. ທີ່ 1 atm, CO₂ ທີ່ເປັນຂອງແຂງ (ນ້ຳກ້ອນແຫ້ງ) ລະເຫີດແທນທີ່ຈະຫຼອມເຫຼວ. ຈຸດວິກິດຂອງມັນ, 31.0 °C ແລະ 73.8 bar, ຕ່ຳພໍທີ່ CO₂ ເໜືອວິກິດຖືກໃຊ້ໃນອຸດສາຫະກຳເປັນຕົວລະລາຍ, ຕົວຢ່າງ ເພື່ອສະກັດຄາເຟອີນອອກຈາກເມັດກາເຟ.

ຕົວຢ່າງທີ່ແກ້ແລ້ວ 3. ປະມານອຸນຫະພູມທີ່ນ້ຳກ້ອນແຫ້ງລະເຫີດທີ່ 1 atm (1.01325 bar), ໂດຍເລີ່ມຈາກຈຸດຮ່ວມສາມ ແລະ ເອນທາລປີຂອງການລະເຫີດ, ΔHsub = 26.1 kJ/mol (NIST WebBook, ວັດໃກ້ 207 K). ສົມຜົນຄລາວຊີອຸສ–ຄລາເປຣອງໃຊ້ໄດ້ກັບເສັ້ນຂອງແຂງ–ແກັສແບບດຽວກັບເສັ້ນຂອງແຫຼວ–ແກັສ. ln(1.01325/5.185) = −1.633. 1/T₂ = 1/216.58 − (8.314/26 100) × (−1.633) = 5.137 × 10⁻³ K⁻¹, ສະນັ້ນ T₂ = 194.7 K, ຫຼື −78.5 °C. ນັ້ນກົງກັບອຸນຫະພູມການລະເຫີດປົກກະຕິ −78.5 °C ທີ່ອ້າງໃນ LibreTexts.

ຂໍ້ຜິດພາດໃນການຄິດໄລ່ການປ່ຽນແປງເຟສ

ຂໍ້ຜິດພາດສ່ວນໃຫຍ່ມາຈາກການປົນສ່ວນທັງສອງປະເພດຂອງເສັ້ນໂຄ້ງການໃຫ້ຄວາມຮ້ອນ ຫຼື ຈາກການພາດເລື່ອງຫົວໜ່ວຍໃນສົມຜົນຄລາວຊີອຸສ–ຄລາເປຣອງ. ແຕ້ມເສັ້ນໂຄ້ງການໃຫ້ຄວາມຮ້ອນຄ່າວໆ ແລະ ຕັ້ງປ້າຍແຕ່ລະສ່ວນກ່ອນຄິດໄລ່ສິ່ງໃດ.

• ລືມຂັ້ນຕອນການປ່ຽນແປງເຟສ, ຫຼື ໃຊ້ q = mcΔT ຂ້າມຊ່ວງຮາບພຽງທີ່ ΔT ເປັນສູນ.
• ໃຊ້ຄວາມຮ້ອນຈຳເພາະຂອງນ້ຳທີ່ເປັນຂອງແຫຼວສຳລັບນ້ຳກ້ອນ ຫຼື ໄອນ້ຳ. ແຕ່ລະເຟສມີຄ່າຂອງຕົນເອງ.
• ປົນຈູນກັບກິໂລຈູນເມື່ອບວກຂັ້ນຕອນຕ່າງໆ. ປ່ຽນທຸກຢ່າງໃຫ້ເປັນຫົວໜ່ວຍດຽວກັນກ່ອນລວມ.
• ຄູນ ΔH ດ້ວຍກຣາມແທນໂມນ, ຫຼື ຄູນ c ດ້ວຍໂມນແທນກຣາມ, ເວັ້ນເສຍແຕ່ທ່ານໃຊ້ຄວາມຈຸຄວາມຮ້ອນໂມລາຢ່າງສອດຄ່ອງກັນ.
• ໃຊ້ອຸນຫະພູມເປັນອົງສາເຊວຊຽດໃນສົມຜົນຄລາວຊີອຸສ–ຄລາເປຣອງ. ໃຊ້ໄດ້ສະເພາະເຄວິນເທົ່ານັ້ນ, ເພາະສົມຜົນໃຊ້ 1/T.
• ໃຊ້ R = 0.08206 L·atm/(mol·K) ກັບ ΔH ທີ່ເປັນຈູນ. ເມື່ອ ΔH ເປັນ J/mol, R ຕ້ອງເປັນ 8.314 J/(mol·K).
• ອ່ານແກນຄວາມດັນຂອງແຜນພາບເຟສເປັນແບບເສັ້ນຊື່ ເມື່ອມັນເປັນແບບລໍການິດ, ເຊິ່ງມັກເປັນແນວນັ້ນສຳລັບ CO₂.