Krivka nasýtenej pary

Pri vyparovaní kvapaliny v uzavretej nádobe je na začiatku tohoto deja počet molekúl, ktoré opúšťajú povrch kvapaliny väčší, ako počet molekúl, ktoré sa za rovnaký čas vracajú späť do kvapaliny (obr. a). Preto sa objem kvapaliny zmenšuje a súčasne sa zväčšuje hustota a tlak pary nad kvapalinou. Po istom čase vznikne stav, keď počet molekúl, ktoré sa do kvapaliny za istý čas vracajú, rovná sa počtu molekúl, ktoré povrch kvapaliny za rovnaký čas opúšťajú (obr. b). Objemy kvapaliny a pary sa nemenia, zostáva konštantný aj tlak pary a teplota sústavy kvapalina + para. Sústava je v rovnovážnom stave, ktorý sa niekedy volá dynamická rovnováha.

Para, ktorá je v rovnovážnom stave so svojou kvapalinou, nazýva sa nasýtená para. Z predchádzajúceho tvrdenia vyplýva, že v uzavretej nádobe za prítomnosti kvapaliny je nasýtená para.

Z pokusov vyplýva, že tlak nasýtenej pary nezávisí pri stálej teplote od objemu pary. Ak objem priestoru nad kvapalinou izotermicky zväčšíme, tlak nasýtenej pary dosiahne pôvodnú hodnotu. Keďže tlak nasýtenej pary nezávisí od objemu, neplatí pre ňu Boylov – Mariottov zákon, príp. stavová rovnica ideálneho plynu. Tým sa nasýtená para podstatne odlišuje od ideálneho plynu.

Keď zvýšime teplotu sústavy kvapalina + jej nasýtená para, má kvapalina väčšiu vnútornú energiu, väčšia časť z nej sa vyparí, čím sa zväčší hustota molekúl nasýtenej pary (obr.). Z meraní vyplýva, že tlak nasýtenej pary nad kvapalinou so zvyšovaním teploty stúpa.

Keď na základe merania tlaku pary pri rozličných rozličných teplotách (obr. c) zostrojíme graf závislosti tlaku nasýtenej pary od teploty, dostaneme krivku nasýtenej pary (obr. d). Táto závislosť nie je lineárna a pre rôzne látky je rozličná.

Každý bod krivky nasýtenej pary zodpovedá jednému stavu nasýtenej pary a súčasne kvapaliny, ktorá je s ňou v rovnovážnom stave (dynamickej rovnováhe). Tento stav je určený teplotou T a tlakom p. Množina týchto bodov krivky nasýtenej pary znázorňuje teda všetky stavy rovnovážnej sústavy kvapalina + nasýtená para.

Začiatočnému bodu A krivky (obr. d) prislúcha najmenšia hodnota teploty T_A a tlaku p_A, pri ktorých existuje kvapalina a nasýtená para v rovnovážnom stave. Teplota T_A je teplotou tuhnutia kvapalnej fázy pri tlaku p_A (bodom A sa začína krivka topenia a končí sa sublimačná).

Pri zvyšovaní teploty rovnovážnej sústavy kvapalina + nasýtená para stúpa hustota nasýtenej pary, hustota kvapaliny naopak klesá. Rozhranie medzi kvapalinou a jej nasýtenou parou je však stále ostré a zreteľné. Pri teplote T_K, kritickej teplote, sa hustota kvapaliny rovná hustote pary. Medzi kvapalinou a jej nasýtenou parou zmizne rozhranie a látka sa stane rovnorodou. Pri teplote vyššej ako T_K už neexistuje látka v kvapalnej fáze. Preto sa krivka nasýtenej pary končí v bode K (obr. d).

Koncový bod krivky nasýtenej pary sa volá kritický bod a znázorňuje kritický stav látky. Kritický stav je určený kritickou teplotou T_K kritickým tlakom p_K a hustotou Q . Veličiny T_K , p_K , ρ_K , sú pre každú látku charakterizujúcimi konštantami.

Z krivky nasýtenej pary príslušnej látky možno získať ešte jednu dôležitú informáciu a to teplotu varu kvapaliny pri danom vonkajšom tlaku nad kvapalinou. Prečo je to tak, sa dá vysvetliť rozborom varu z hľadiska molekulovej fyziky.

Pri vare sa vnútri kvapaliny tvoria bubliny nasýtenej pary, ktoré zväčšujú svoj objem a vystupujú na voľný povrch kvapaliny. Tento dej nastáva práve vtedy, keď tlak nasýtenej pary bublín sa rovná približne vonkajšiemu tlaku. Keď sa zväčší tlak nad voľným povrchom kvapaliny, var nastane až po takom zvýšení teploty kvapaliny, že sa tlak vnútri bublín vyrovná vonkajšiemu tlaku. Teplota varu sa teda zvyšuje so zvyšovaním vonkajšieho tlaku. Túto teplotu pre daný vonkajší tlak p_o zistíme z krivky nasýtenej pary tak, že k tlaku nasýtenej pary p_s ≐ p_o vyhľadáme príslušnú teplotu.