Fázový diagram

V predchádzajúcich statiach sme sa oboznámili s krivkou topenia, sublimačnou krivkou a krivkou nasýtenej pary. Všetky tri krivky pre danú látku možno znázorniť do tej istej súradnicovej sústavy s osami T a p. Vznikne graf, ktorý sa volá fázový diagram (obr. a). Každý bod roviny fázového diagramu znázorňuje istý stav látky pri zvolenej termodynamickej teplote T a tlaku p.

Ako vidieť z obr. a, tvorí fázový diagram krivka topenia k_t ,krivka nasýtenej pary k_p a sublimačná krivka k_s. Všetky tri krivky sa stýkajú v jednom bode A, ktorý sa nazýva trojný bod. Znázorňuje rovnovážny stav pevnej, kvapalnej a plynnej fázy tej istej látky. Teplota trojného bodu vody (T_A=273,16 K) je základnou teplotou termodynamickej teplotnej stupnice.

Každý bod krivky topenia znázorňuje rovnovážny stav pevnej a kvapalnej fázy; bod krivky nasýtenej pary znázorňuje rozličné stavy rovnovážnej sústavy kvapalina a nasýtená para, vrátane kritického stavu látky a body sublimačnej krivky určujú rovnovážny stav pevnej látky a jej nasýtenej pary.

Krivky k_t , k_p , k_s rozdeľujú rovinu fázového diagramu na tri oblasti I, II, III. Keď je bod určujúci stav látky v oblasti I, látka je v pevnom skupenstve; body v oblasti II znázorňujú rozličné stavy kvapaliny. Body, ktoré patria do oblasti III, t.j. body ležiace pod krivkou nasýtenej pary a sublimácie, zodpovedajú plynnému skupenstvu látky, ktoré má nižší tlak ako nasýtená para s rovnakou teplotou. Toto plynné skupenstvo sa nazýva prehriata para.

Ako utvoriť prehriatu paru ? Dá sa uvažovať o valci s piestom, pod ktorým je nasýtená para bez prítomnosti kvapaliny (obr. b). Keď piest izotermicky zdvihneme (obr. c), zväčší sa objem pary, čím sa zníži jej tlak. Keďže sa objem pary zvýšil bez prítomnosti kvapaliny zmenšila sa aj hustota pary. Vznikla para, ktorá nie je nasýtená, ale prehriata. Prehriata para je taká, ktorá má menší tlak a hustotu ako nasýtená para s rovnakou teplotou. Prehriatu paru môžeme získať aj tak, že nasýtenú paru zohrievame bez prítomnosti kvapaliny (obr. d).

Prechod z jednej oblasti do druhej vo fázovom diagrame predstavuje vždy dej pri ktorom nastáva zmena skupenstva. Rozoberieme dej na obr. e znázornený úsečkou S₁ S₃ .prechod z bodu S₁ do bodu S₂ znázorňuje zvýšenie teploty pevnej látky pri stálom tlaku p₁. V stave určenom bodom S₂ sa pevná látka topí a postupne sa celá premení na kvapalinu. Teplota T₂ je teplotou topenia pri tlaku p₁ úsečka S₂ S₃ znázorňuje izobarický dej s kvapalinou, pri ktorom sa zvyšuje teplota kvapaliny. Kvapalina prejde do stavu určeného bodom S₃ .

Bod P na obr. e patrí do oblasti IV, ktorá znázorňuje stavy pevného skupenstva látky pri teplote vyššej, ako je kritická teplota. Toto plynné skupenstvo nazývame plyn. Keď má biť plyn skvapalnený schladíme ho pred kompresiou pod kritickú teplotu. Látky, ktoré majú vysokú kritickú teplotu možno ochladiť adiabatickým ochladením plynu. Prudkým vyparovaním niektorých skvapalnených plynov možno dosiahnuť veľmi nízke teploty, pri ktorých kvapalnie ďalší plyn. Týmito dvoma spôsobmi sa podarilo už po roku 1830 skvapalniť všetky vtedy známe plyny okrem kyslíka, dusíka, vodíka a hélia. V roku 1877 bol skvapalnený kyslík a dusík, v roku 1898 vodík a nakoniec v roku 1908 hélium. Nové metódy skvapalňovania plynov (najmä kyslíka, vodíka a hélia) vypracoval neskôr sovietsky fyzik Piotr Leonidovič Kapica (nar. r. 1894).