4.3 Faasikaavio
Faasikaavio
Laitetaan punnus roikkumaan rautalangan varassa jääpalan päältä. Videolla on esitetty muutaman kymmenen minuutin jakso tilanteesta.
Rautalanka näyttää sulattavan jäätä, koska se kulkee jääpalan läpi. Samalla jääpala jäätyy uudelleen halkeamatta. Ympäristöstä ei siirry riittävästi lämpöä, jotta jääpala sulaisi yleisesti. Sulamista tapahtuu vain rautalangan kohdalla.
Ohuen rautalangan varassa roikkuu punnus. Punnuksen paino jakaantuu jääpalan päällä pienelle rautalangan peittämälle alalle, mikä kasvattaa jääpalaan kohdistuvaa painetta. Paine vaikuttaa aineen olomuotoon. Jääpala sulaa paineen takia rautalangan alla ja rautalanka kulkee palan läpi. Rautalangan painuttua jonkin matkaa sisään jääpalaan sen yläpuolella on sulamisesta syntynyttä vettä, joka jäätyy uudelleen. Normaali ilmanpaine ei riitä pitämään vettä sulana.
Alle nolla-asteinen jää voi sulaa normaalia suuremman paineen vaikutuksesta. Normaalia suuremmassa paineessa lämmitettäessä vesi myös kiehuu vasta yli 100 celsiusasteen lämpötilassa. Aineen olomuodon riippuvuutta paineesta ja lämpötilasta kuvataan faasikaaviolla. Faasikaaviossa vaaka-akselilla on lämpötila ja pystyakselilla paine. Aineen olomuodot esiintyvät faasikaaviossa omina alueinaan. Olomuotoja rajaavat käyrät, joissa olomuoto muuttuu.
Veden faasikaavio. Normaalipainetasolla (1 atm) sulamis- ja kiehumispisteet ovat 0 °C ja 100 °C. Huomaa, että akseleiden jaotus on epälineaarinen.
Kriittinen piste
Pistettä, johon nesteen ja kaasun välinen raja päättyy, kutsutaan kriittiseksi pisteeksi. Kriittistä pistettä korkeammassa lämpötilassa oleva kaasu ei nesteydy painetta kasvattamalla. Kriittistä pistettä alemmassa lämpötilassa olevaa kaasumaista ainetta kutsutaan yleensä höyryksi. Kun lämpötila ja paine ylittävät kriittisen pisteen, nesteen ja kaasun välillä ei ole selkeää rajaa. Tällöin ainetta kutsutaan ylikriittiseksi.Kolmoispiste
Kiinteän, nesteen ja kaasun faasirajat kohtaavat pisteessä, jota kutsutaan kolmoispisteeksi. Kolmoispisteen lämpötilassa ja paineessa aine voi esiintyä jokaisessa kolmessa olomuodossa yhtä aikaa. Veden kolmoispiste on 273,16 K, joka on valittu Kelvin-asteikon toiseksi peruspisteeksi.
Alla olevan hiilidioksidin faasikaavio poikkeaa veden faasikaaviosta. Normaalipaineessa hiilidioksidi ei esiinny nestemäisessä olomuodossa, vaan on joko kiinteää tai kaasua. Normaalipaineessa hiilidioksidi on kiinteää, jos lämpötila on alle -78,5 °C. Huoneenlämpöön hiilidioksidi tuotaessa sublimoituu.
Olomuodon muutoksia ympäristössä
Haihtuminen ja kiehuminen
Vettä häviää avoimesta astiasta ajan kuluessa riippumatta lämpötilasta. Vettä höyrystyy ja sekoittuu ympäröivään ilmaan. Tämä on haihtumista. Haihtumista tapahtuu koko ajan nesteen pinnalta. Kiehuminen taas tarkoittaa tilannetta, jossa neste on kiehumispisteen lämpötilassa, ja jossa höyrystymistä tapahtuu kaikkialla nesteessä. Alla olevassa animaatiossa havainnollistetaan nesteen haihtumista avoimesta astiasta mikrotasolla. Kun kansi on päällä, se estää haihtumisen.
Animaatio on muokattu lähteestä The Concord Consortium (http://concord.org)
Kylläinen höyry
Avoimessa astiassa olevaa nestettä höyrystyy jatkuvasti. Tällöin nesteen määrä vähenee. Tutkitaan, mitä tapahtuu astian ollessa suljettu. Mitataan painetta suljetussa koeputkessa. Välillä 2...5 s koeputkeen lisätään siihen kiinnitetystä pipetistä etanolisekoitusta. Pipetin puristaminen aiheuttaa hetkellisen paineen nousun koeputkeen.
Paine kasvaa nesteen lisäämisen jälkeen. Tämä johtuu siitä, että samaan tilavuuteen tulee nesteen höyrystyessä enemmän kaasua. Paineen kasvu päättyy arvoon 104,8 kPa. Tässä vaiheessa höyrystymistä tapahtuu edelleen, mutta höyryä tiivistyy yhtä paljon nesteeksi. Tällöin höyry on kylläistä, eli ilman sekaan ei mahdu enempää höyryä. Mitattua suurinta painetta kutsutaan kylläisen höyryn paineeksi.
Nestekaasupullo
Kaasumainen aine voi tiivistyä nesteeksi kasvattamalla painetta. Ilmiötä hyödynnetään nestekaasupullossa, johon voidaan pakata suuri määrä polttoainetta pieneen tilaan. Nestekaasupullon paine ei alene, kun se sisältää nestettä. Kun venttiilistä päästetään kaasua ulos, sitä höyrystyy välittömästi lisää pullossa olevan nesteen pinnalta, kunnes pullon höyry tulee jälleen kylläiseksi. Höyrystyminen vaatii energiaa, joka siirtyy höyryyn ympäristöstä. Pullon ja sen sisältämän nesteen lämpötila laskee, minkä voi tuntea koskettaessa pulloa kädellä.
Kastepiste
Ilma sisältää tavanomaisissa olosuhteissa aina vesihöyryä. Ilman lämpötilasta riippuu, kuinka paljon höyryä siinä voi olla. Korkeammassa lämpötilassa höyryä mahtuu ilmaan enemmän kuin alhaisessa. Jos höyryä on suurin mahdollinen määrä, höyry on kylläistä. Tällöin sanotaan myös, että ilman suhteellinen kosteus on 100 %. Lämpötilaa, jossa höyry on kylläistä, kutsutaan kastepisteeksi. Jos kylläisen höyryn lämpötila laskee kastepisteen alapuolelle, osa höyrystä tiivistyy nesteeksi. Tiivistyminen tapahtuu pinnoille tai ilmassa olevien pienhiukkasten ympärille. Kun runsaasti vesihöyryä sisältävä ilma jäähtyy, osa höyrystä tiivistyy. Syntyy sumua.
Pysähdy pohtimaan
Esimerkkejä
Esimerkki 1
Painekattilassa valmistettaessa ruuan kypsymisaika lyhenee. Selitä miksi.
Esimerkki 2
Lämpötila-anturi upotetaan huoneenlämpöiseen veteen ja nostetaan ylös. Miksi mittarin lukema muuttuu alla olevan graafin mukaisesti?
