Skupenství a fázové přeměny
Skupenství a fázové přeměny (6/9) · 12:36

Fázové diagramy Pochopení a interpretace fázových diagramů.

Navazuje na Základy termodynamiky.
Všechny fázové změny, které jsme dosud popsali, probíhaly za stálého tlaku. Konkrétně na příkladech vody, jenž jsme viděli v minulých videích, jsme předpokládali atmosférický tlak na úrovni moře, neboli tlak 1 atmosféry. Tento diagram vysvětlím za vteřinku. Ale všichni víme, že ve vesmíru není tlak konstantní a určitě není vždy konstantní při 1 atm. 1 atm byla definována jako tlak na úrovni moře na Zemi. Tlak by byl určitě jiný na menší planetě, nebo na planetách s hustší atmosférou. Taky můžeme řešit různé aplikace popisující plyny, kapaliny a pevné látky. To, co jsem zde nakreslil, je fázový diagram. Napíšu to. Fázový diagram. A existuje mnoho typů fázových diagramů. Tohle je ten nejčastější typ, který můžete v chemii či v testech potkat. Zachycuje různé stavy hmoty a přechody mezi nimi v závislosti na teplotě a tlaku. Toto je fázový diagram pro vodu. Pojďme si jej vysvětlit. Na této ose je tlak. Na ose x je teplota. A v každém bodě vám diagram řekne, jestli se jedná o pevnou látku... Pevná látka bude tady, kapalina zde, anebo plyn. Například, kdybych řekl, že je 0 °C, 0 °C bude tady, jestli je 0 °C a tlaku 1 atm, kde jsem? Takže 0 °C, 1 atm, nacházím se na tomto bodě. Jsem na hraničním bodě mezi pevnou a kapalnou látkou při tlaku 1 atm. Tohle je, když jsme při tlaku 1 atm. To souhlasí s tím, co už víme. Led zmzne, nebo se rozpustí při 0°C. Pokud zvýšímě tlak, co se stane? Pak začně led tát při nižší teplotě. Tady se tlak zvyšuje, takže když se tlak zvýší, Nevím kolik je tady. Tady může být tlak 10 atm, desetkrát zemský atmosférický tlak při hladině moře. Pak se náhle teplota, při které se pevná látka mění v kapalnou... Toto je přechod mezi pevnou a kapalnou látkou. Teplota, při které nastane přechod, se sníží. Pokud tlak snížíme, pokud pojedeme do Denveru, který je o míli výše, tlak je nižší, protože nad sebou máme méně atmosféry, pak se teplota tuhnutí zvýší. Takže teplota tuhnutí bude něco přes 1 °C . Tohle není nakresleno přesně podle měřítka, ale myšlenka je taková, že led by v podstatě mrzl o něco rychleji a mrzl by při vyšší teplotě v Denveru, než ve spodní části Mrtvého moře či Mrtvého údolí, na místě pod mořskou hladinou. A nyní zde máme přechod mezi plynem a jiným skupenstvím. A my už víme, že tady je 1 atm. A pamatujme, že tady mluvíme o vodě. Tohle je diagram vody, takže při 1atm, je tohle věc, kterou běžně pozorujeme. Namaluju tady čáru. Takže při 1 atm, 0 °C je tam, kde se pevná fáze, led, přemění v kapalnou vodu. A poté se dostaneme výše, takže budeme postupovat k vyšší a vyšší teplotě, a poté by to tady bylo, pokud jsme při tlaku 1 atm, tady je 100 °C. A to je ten bod při tlaku 1 atm, kde kapalina přechází na plyn a voda se vypaří, nebo kapalina vře. Všechny tyto možnosti jsou přijatelné myšlenkové směry. Ale co se stane, když snížíme tlak? Ještě jednou si uděláme malý výlet do Denveru. Tady máme Denver. Není to tak radikální. Dělám to jen pro vzdělávací účely. Nebo ještě lépe, řekněme Mount Everest. Mount Everest, kde je velmi nízký tlak. Pak je náš bod tuhnutí... Už jsme řekli dříve, že pokud snížíme tlak, teplota varu se sníží. Proto je mnohem jednodušší něco uvařit na vrcholu Mount Everest, než něco vařit v údolí, nebo v nejnižším Mrtvého údolí, nebo Mrtvého moře. Důvod toho všeho je následující: Pokud mám kapalinu, mnoho molekul v kapalné fázi, tyto molekuly se navzájem dotýkají, ale mají dostatečnou kinetickou energii, aby se hýbaly, takže poletují, míjejíc se navzájem, vlastně se navzájem třou. Jeden z důvodů, proč se prostě nevypaří, proč tahle molekula nevyskočí tady, je, že je nad nimi vzduch. Je tam tlak vzduchu. A tlak vzduchu... ...To jsme se učili, když jsme dělali PV nRT... To je mnoho plynných molekul a tlak, který vytvářejí je vytvářen jejich teplotou a kinetickou energií. A sedí tady a skákají, a v podstatě drží tyto těžší molekuly, aby neutíkaly výše. Udržují je, aby se neoddělily od ostatních a nepřešly do plynného stavu. Takže čím vyšší máte tlak, tím těžší je pro tyhle molekuly uniknout. Na druhou stranu, pokud bychom pracovali ve vakuu, pokud bychom to prováděli na povrchu měsíce a tam nebyla žádná z těchto molekul, tak by stačil i malý náraz. Když tato molekula je stále trochu přitahována k této, budou molekuly navzájem přitahovány k sobě. Ale i malinký náraz, jelikož na povrchu Měsíce není žádný tlak, může umožnit této molekule uniknout a přejít přímo do plynného skupenství. Takže, pokud snížíte tlak, je mnohem jednodušší přejít z kapalné do plynné fáze, nebo rovnou z pevné do plynné fáze. Možná řeknete, Sale, to je zvláštní pojem, s pevné do plynné fáze. To se stane, pokud dostatečně snížíme tlak Myslím tím, řekněme, že v podstatě tady není nic. Přímo tady je to blízké vakuu. Mohli byste vyjít z ledu. Pokud byste vzali led a byli jste na Měsíci a byli byste při správné teplotě... ...tady máme pravděpodobně zápornou teplotu Celsia nevím, jaká je přesná teplota... ...váš led by se na Měsíci přeměnil z ledu přímo na plyn. Protože je tady velké vakuum, tak by si molekuly řekly: "Tady je tolik místa, které lze vyplnit." A když na sebe jen trochu narazí, uniknou a přemění se v plyn. Možná řeknete: "Sale, to je ale divný jev, ten existuje pouze na Měsíci. A k vyvrácení této poznámky jsem namaloval tento diagram, diagram oxidu uhličitého. Je všude kolem vás. Dýchate ho když mluvíte. Vaše kytky v místnosti jej také dýchají, ale oxid uhličitý při tlaku 1 atm má velmi odlišné chování než voda. Tady je oxid uhličitý při 1 atm. Jenom vás upozorním, tato stupnice není namalována v měřítku. Rozdíl mezi 1 atm a 5 atm není stejný jako mezi 5 atm a 73 atm. Stejně i tady to není nakresleno v měřítku. Tohle je mnohem větší rozdíl než tohle. Kdybych to měl opravdu nakreslit správně, musel bych natáhnout ten graf nebo udělat logaritmické osy nebo tak něco. Nicméně, mluvil jsem o oxidu uhličitém. Tady je oxid uhličitý v pevné fázi a tady v plynné, a tady je kapalný oxid uhličitý Takže při 1 atm, řekněme, že žijete u hladiny moře, jako je New Orleans, tipuji, že to místo je trochu pod hladinou moře ...tam jsem vyrůstal.... Kdybyste byli schopni vymrazit vaši ledničku až na -80 °C oxid uhličitý by pravděpodobně zmrzl. V podstatě vám tohle není úplně cizí, nebo alespoň není, pokud jste byli někde... nevím, jestli to stále používají pro nějaké kouřové přístroje, či pro vizuální efekty na pódiích... Tomu říkáme suchý led. Je to zmrzlý oxid uhličitý. Pokud jste na úrovni mořské hladiny, při atmosférickém tlaku, při teplotě nad -78.5 °C oxid uhličitý ihned sublimuje do plynné fáze. Tento proces, kdy pevná fáze přejde rovnou do fáze plynné se nazývá sublimace. A to je důvod proč, když vidíte suchý led, tak nepozorujete kapalinu, nebo to alespoň nejste schopni vidět při atmoférickém tlaku. Já tedy aspoň nikdy neviděl kapalný oxid uhličitý. Pokud chcete získat kapalný oxid uhličitý, musíte se dostat nad 5 atm, takže se musíte dostat na tlak pětkrát vyšší, než je tlak na Zemi u hladiny moře, a to opravdu neuvidíte při podmínkách na Zemi. Možná byste to byli schopni pozorovat na Jupiteru či Saturnu, kde máte obrovský tlak díky gravitaci a atmosféře nad vámi. Takže kapalný oxid uhličitý... Teď nevím, jestli na Jupiteru najdete uhlík, ale pravděpodobně jej uvidíte na dalších velkých planetách, patřících mezi "plynné obry". Ale na Zemi je tento jev nazván sublimace. Je to prostě krásné slovo, že něco sublimuje. To znamená že to přechází z pevné fáze přímo do plynné. a to můžete vidět u suchého ledu. Je tu pár dalších zajímavých bodů, asi jste si jich už všimli. Tento bod se nazývá trojný bod, protože přímo tady, u oxidu uhličitého, při 5 atm a teplotě -56 °C, je sloučenina v rovnovážném stavu mezi pevnou, kapalnou a plynnou fází. Je tam vlastně od každého trochu A pokud jen trochu posunute rovnováhu, posune se tímto směrem celý systém. Podobně trojný bod vody je zde, je to při mnohem nižším tlaku, než při kterém jsme zvyklí pracovat. Tady je 0,611 kilopascalů, neboli 611 pascalů, což je 0,005 atm. Takže pokud snížíte tlak na 0,005 atm a teplota bude mírně nad 0 °C, dostanete se na trojný bod vody, kde voda může mít jakékoli skupenství, pokud trochu posunute rovnováhu. Dále další zajímavý bod na těchto grafech je zde. Toto je kritický bod. Zní velmi důležitě. Kritický bod. A to je ten bod, ve kterém, když zvýšíte teplotu nebo tlak tak se dostanete do oblasti superkritické kapaliny. Zní velmi zajímavě. Takže nad tímto bodem máte superkritickou kapalinu. Velmi vysoká teplota a velmi vysoký tlak. Je to tak vysoká teplota, že systém chce být plynný, ale je pod tak velkým tlakem že chce být i kapalina, takže je od každého něco. V případě vody, superkritická voda je používána jako rozpouštědlo. Zkuste si představit. Je jako kapalná voda, ve které se dá rozpouštět, ale má strašně vysokou teplotu a může se šířit do pevné fáze, což je užitečné, když chcete cokoli vyčistit, nebo naopak něco někam dostat, nebo získat sůl z vody. Takže tohle je superkritická kapalina a je zábavné o ní popřemýšlet. Nicméně, jen jsem vás chtěl zasvětit do těchto fázových diagramů. Vše, co jsem doteď vysvětloval, bylo za konstantního tlaku a měnili jsme teplotu, ale samozřejmě můžete jít opačnou cestou. Pokud jsem na 100 °C a jdu z... řekněme že jsem na 110 °C při atmosférickém tlaku, tedy v plynné fázi... takže tohle je 110°C pro vodu. Je to voda v plynné fázi. Ale kdybych nějak pořád zvyšovali tlak, třeba bych vykopal díru nebo tak něco nebo bych šel do oceánu, pak se bude pára kondenzovat na vodu, neboli bude kondenzovat do kapalného stavu. Kdybych tento pokus udělal zde, kdybych zvýšil tlak, bude se látka reverzně sublimovat. Myslím že jsem si napsal slovo, které popisuje tento jev. Podívám se, jestli jsem to už někde nenapsal. Tak ne. V podstatě je to něco jako kondenzovat, ale to slovo mi teď na chvilku vypadlo. Je to něco jako slovo kondenzovat nebo dávat dohromady. No zapomněl jsem to slovo, ale látka přejde z plynné fáze přímo na pevnou fázi. Tohle jsou pěkné diagramy. Říkají mnoho o různých látkách. A řeknou vám co se stane, když se změní teplota nebo tlak.
video