Mga Pagbag-o han Phase: mga Heating Curve, Vapor Pressure ngan mga Phase Diagram

Kay ano nga napupundo an temperatura samtang natunaw ngan nabukal

Painita an bloke han yelo ha padayon nga rate ngan irekord an temperatura hini, ngan makakakuha ka hin heating curve. An temperatura nasaka, napundo ha 0 °C samtang natunaw an yelo, nasaka utro, unya napundo ha 100 °C samtang nabukal an tubig. Ha mga patag nga bahin, an enerhiya nakadto ha pagbulag han mga molekula batok ha ira intermolecular nga mga pagbitad, diri ha pagpapaspas han ira lihok, salit diri nagbabag-o an temperatura tubtob nga kompleto an pagbag-o han phase.

An duha nga klase han bahin nagkikinahanglan hin duha nga lain-lain nga ekwasyon. Ha sulod han usa nga phase, q = m × c × ΔT, kun diin an c amo an specific heat. Samtang an pagbag-o han phase ha konstante nga temperatura, q = n × ΔH, kun diin an ΔH amo an molar nga enthalpy han fusion o vaporization. An pagkatunaw, vaporization ngan sublimation endothermic. An pag-freeze, condensation ngan deposition nagpapagawas han pariho nga kadamo han enerhiya, salit an ira mga bili han ΔH may kabaliktaran nga timaan.

Halimbawa nga gin-solbar: pagpainit han yelo tubtob ha steam

Gaano kadamo nga kainit an nagbabalhin han 40.0 g nga yelo ha −15.0 °C ngadto ha alisngaw han tubig ha 100.0 °C? Datos: mga specific heat nga 2.093 J/(g·°C) para ha yelo ngan 4.184 J/(g·°C) para ha likido nga tubig (OpenStax Table 5.1); ΔHfus = 6.01 kJ/mol ha 0 °C ngan ΔHvap = 40.67 kJ/mol ha 100 °C (OpenStax section 10.3). An kadamo han tubig n = 40.0 g ÷ 18.015 g/mol = 2.220 mol.

Lakang 1, painita an yelo: 40.0 × 2.093 × 15.0 = 1256 J, o 1.26 kJ. Lakang 2, tunawa ito: 2.220 mol × 6.01 kJ/mol = 13.3 kJ. Lakang 3, painita an likido tikang 0 °C ngadto 100 °C: 40.0 × 4.184 × 100.0 = 16 736 J, o 16.7 kJ. Lakang 4, pabukala ito: 2.220 mol × 40.67 kJ/mol = 90.3 kJ. Kabug-osan: 1.26 + 13.3 + 16.7 + 90.3 = 122 kJ, ha tulo nga mahinungdanon nga mga digit.

An pagbukal amo an mga 74 porsyento han kabug-osan, labaw ha lima ka beses han kainit nga kinahanglan basi painiton an likido hin 100 degree. Gamita an bili han ΔHvap ha temperatura kun diin nahitatabo an pagbukal. Ha 25 °C, an ΔHvap han tubig 44.01 kJ/mol, ngan an paggamit hito nga numero dinhi magpapasobra han lakang 4 hin mga 8 porsyento.

Vapor pressure ngan an Clausius–Clapeyron nga ekwasyon

Ha sirado nga sudlanan, an likido nag-eevaporate tubtob nga an rate han condensation umangay hini. An presyon han alisngaw hito nga punto amo an vapor pressure, ngan matarik ini nga natataas upod an temperatura. An likido nabukal kun an vapor pressure hini katumbas han presyon ha ibabaw hini, salit an normal nga boiling point amo an temperatura kun diin an vapor pressure nakakaabot hin 1 atm.

An porma nga duha-ka-punto han Clausius–Clapeyron nga ekwasyon nagsusumpay hin duha nga vapor pressure ha enthalpy han vaporization: ln(P₂/P₁) = (ΔHvap/R)(1/T₁ − 1/T₂), nga may R = 8.314 J/(mol·K) ngan mga temperatura ha mga kelvin. Nagdadahom ini nga an ΔHvap konstante ha range, salit pinakamaupay ini ha diri kalaparan nga mga range han temperatura.

Halimbawa nga gin-solbar 1. An OpenStax Table 9.2 naghahatag han vapor pressure han tubig sugad nga 17.5 torr ha 20 °C ngan 149.4 torr ha 60 °C. ln(149.4/17.5) = 2.144, ngan 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, o 43.5 kJ/mol. Average ini tikang 20 °C tubtob 60 °C. Aada ini tali han mga bili ha 25 °C (44.01) ngan ha 100 °C (40.67), sugad han angay.

Halimbawa nga gin-solbar 2. Ha ano nga temperatura nabukal an tubig kun an presyon han hangin 0.800 atm? Magsugod tikang ha normal nga boiling point, 373.15 K ha 1.000 atm, ngan gamita an ΔHvap = 40.67 kJ/mol. 1/T₂ = 1/373.15 − (8.314/40 670) × ln(0.800) = 2.7255 × 10⁻³ K⁻¹, salit T₂ = 366.9 K, o 93.8 °C. Sugad nga pagsusi, an 0.800 atm amo an 608 torr, ngan an interpolation tali han 90 °C ngan 95 °C ha Table 9.2 naghahatag liwat hin 93.8 °C.

Pagbasa han mga rehiyon, linya ngan punto han phase diagram

An phase diagram nag-plot han presyon kontra temperatura ngan nagpapakita kun hain nga phase an matibay ha kada set han mga kondisyon. An kada rehiyon usa nga phase. An kada linya usa nga set han mga kondisyon kun diin duha nga phase an nagkakaupod ha equilibrium: solido ngan likido ha melting curve, likido ngan gas ha vapor-pressure curve, ngan solido ngan gas ha sublimation curve.

An tulo nga linya nagkikita ha triple point, an usa la nga temperatura ngan presyon kun diin an solido, likido ngan gas nagkakaupod. An vapor-pressure curve natapos ha critical point. Labaw han critical temperature, waray kadamo han presyon nga makakapalikido han gas, ngan an substansya nagigin supercritical fluid nga may mga kinaiya tali han likido ngan gas.

Basi gamiton an diagram, pangitaa an sinugdan nga mga kondisyon ngan lakat ha agianan nga ginhuhulagway han problema. An pagpainit ha konstante nga presyon usa nga pahigda nga linya tikang wala paingod too, ngan an kada utlanan nga ginlalabanan hini usa nga pagbag-o han phase. An pag-compress ha konstante nga temperatura usa nga patindog nga linya nga nasaka. An pahigda nga linya nga gin-drowing ubos han presyon han triple point nalabang la ha sublimation curve, salit an solido direkta nga nagigin gas.

An baliskad nga melting line han tubig ngan an hataas nga triple point han dry ice

An triple point han tubig aada ha 0.01 °C ngan 0.0061 bar (NIST Chemistry WebBook), nga mga 0.0060 atm. An critical point hini aada ha 374 °C ngan 218 atm (OpenStax section 10.4). Talagsahon, an linya hini nga solido–likido gutiay nga nakiling pawala: an pagpataas han presyon gutiay nga nagpapaubos han melting point, tungod kay an yelo mas diri masinsin kay ha likido nga tubig ngan an presyon nagpapabor ha mas masinsin nga phase. Kadam-an han mga substansya may kabaliktaran nga kiling.

An triple point han carbon dioxide aada ha 216.58 K (−56.57 °C) ngan 5.185 bar, nga 5.12 atm (NIST Chemistry WebBook). Tungod kay ito nga presyon labaw han 1 atm, an likido nga CO₂ diri mabubuhi ha bukas nga hangin. Ha 1 atm, an solido nga CO₂ (dry ice) nag-su-sublime imbes nga natunaw. An critical point hini, 31.0 °C ngan 73.8 bar, igo nga kaubos salit an supercritical nga CO₂ gingagamit ha industriya sugad nga solvent, pananglitan basi tangtangon an caffeine tikang ha mga liso han kape.

Halimbawa nga gin-solbar 3. Tantyaha an temperatura kun diin nag-su-sublime an dry ice ha 1 atm (1.01325 bar), tikang ha triple point ngan han enthalpy han sublimation, ΔHsub = 26.1 kJ/mol (NIST WebBook, ginsukod harani ha 207 K). An Clausius–Clapeyron nga ekwasyon nagagana para ha linya nga solido–gas ha pariho nga paagi sugad han para ha linya nga likido–gas. ln(1.01325/5.185) = −1.633. 1/T₂ = 1/216.58 − (8.314/26 100) × (−1.633) = 5.137 × 10⁻³ K⁻¹, salit T₂ = 194.7 K, o −78.5 °C. Nauyon ini ha normal nga temperatura han sublimation nga −78.5 °C nga gin-cite ha LibreTexts.

Mga sayop ha kuwenta han pagbag-o han phase

Kadam-an han mga sayop tikang ha pagsagol han duha nga klase han bahin han heating curve o tikang ha mga sayop ha yunit ha Clausius–Clapeyron nga ekwasyon. Igdrowing an heating curve ngan markahi an kada bahin antes magkuwenta hin bisan ano.

• Pagbilin hin lakang han pagbag-o han phase, o pagpadapat han q = mcΔT tabok ha plateau kun diin sero an ΔT.
• Paggamit han specific heat han likido nga tubig para ha yelo o para ha steam. An kada phase may kalugaringon nga bili.
• Pagsagol han mga joule ngan kilojoule kun nagdudugang han mga lakang. I-convert an ngatanan ngadto ha usa nga yunit antes magsanib.
• Pagmultiplikar han ΔH ha mga gramo imbes nga ha mga mole, o han c ha mga mole imbes nga ha mga gramo, gawas kun makanunayon ka nga naggagamit hin molar nga heat capacity.
• Paggamit hin mga temperatura ha Celsius ha Clausius–Clapeyron nga ekwasyon. An mga kelvin la an nagagana, tungod kay an ekwasyon naggagamit hin 1/T.
• Paggamit han R = 0.08206 L·atm/(mol·K) upod an ΔH ha mga joule. Kun an ΔH ha J/mol, an R kinahanglan 8.314 J/(mol·K).
• Pagbasa han axis han presyon han phase diagram sugad nga linear kun logarithmic ini, sugad han kasagaran para ha CO₂.