Επιλέξτε κατηγορία
Επιλέξτε κατηγορία
Ως γνωστό κάθε υλικό μπορεί να βρεθεί σε 3 καταστάσεις. Αυτές είναι στερεό, υγρό και αέριο.
Σε ποια κατάσταση βρίσκεται ένα υλικό εξαρτάται από την σύνθεσή του (τα μόρια που περιέχει) και από 3 βασικές φυσικές ιδιότητες. Τις θερμοδυναμικές ιδιότητες.
Αυτές είναι:
Ο ρόλος της θερμοκρασίας στην κατάσταση του υλικού είναι ο ποιο οικείος.
Αν πάρουμε για παράδειγμα το νερό. Γνωρίζουμε ότι για θερμοκρασία 0οC και κάτω αυτό γίνεται στερεό (πάγος). Για θερμοκρασίες από 0 έως 100οC είναι υγρό ενώ από εκεί και πάνω αεριοποιείται.
Η ποιο σωστή διατύπωση είναι ότι οι μεταβολές του νερού στις ποιο πάνω θερμοκρασίες ισχύουν για πίεση 1 bar, δηλαδή όση είναι η ατμοσφαιρική πίεση στη Γη.
Εάν αλλάξουμε αυτή την πίεση οι θερμοκρασίες μεταβολής της κατάσταση του νερού θα αλλάξουν και αυτές. Υπό υψηλή πίεση μπορούμε να έχουμε υγρό νερό σε θερμοκρασίες μικρότερες από 0οC και υπό χαμηλή νερό που βράζει σε θερμοκρασία 20οC. Σε υπερβολικά υψηλές πιέσεις σχηματίζονται είδη στερεού νερού (πάγου) που διατηρούνται ακόμα και σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες.(300-400 οC)
Ο όγκος του υλικού (δηλαδή ο χώρος που καταλαμβάνει) αλλάζει και αυτός ανάλογα με τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Είναι γνωστό ότι τα στερεά και τα υγρά συστέλλονται σε χαμηλές θερμοκρασίες και διαστέλλονται σε υψηλές. Η μεταβολή αυτή όμως στα υγρά και στα στερεά είναι πολύ μικρή. Πρέπει όμως να λαμβάνεται υπόψιν σε κατασκευές προκειμένου να αποφευχθούν παραμορφώσεις και αστοχίες.
Αντίθετα στα αέρια η μεταβολή του όγκου είναι σημαντική. Αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία στην θερμοδυναμική καθώς είναι το φαινόμενο που μετατρέπει την θερμική ενέργεια σε κινητική.
Οι αλλαγές στις 3 θερμοδυναμικές ιδιότητες των υλικών δεν είναι τυχαίες αλλά συνδέονται με κάποια σχέση. Η σχέση αυτή λέγεται καταστατική εξίσωση. Η καταστατική εξίσωση είναι διαφορετική για κάθε υλικό ανάλογα με την σύστασή του. Υπάρχουν πολλές καταστατικές εξισώσεις για διαφόρων ειδών υλικά οι οποίες εφαρμόζονται προσεγγιστικά ανά περίπτωση. Οι σχέσεις αυτές μπορεί να είναι από απλές έως πολύ πολύπλοκες.
Η ποιο απλή σχέση είναι η:
Όπου:
P: Η πίεση.
V: Ο όγκος.
Τ: Η θερμοκρασία.
R: Η παγκόσμια σταθερά των αερίων με τιμή 8.314 J⋅K−1⋅mol−1
n: Τα γραμμομόρια (moles) του αερίου.
Η εξίσωση που αυτή λέγεται καταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων και μας δίνει αρκετές πληροφορίες για την αλληλεπίδραση των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων αυτών στα αέρια. Διατηρώντας π.χ. σταθερή την πίεση βλέπουμε ότι για να αυξηθεί ο όγκος ενός αερίου πρέπει να αυξηθεί και η θερμοκρασία. Αντίθετα όταν η πίεση πέφτει υπό σταθερό όγκο η θερμοκρασία πρέπει να πέσει και αυτή. Οι καταστατικές εξισώσεις είναι πολύ σημαντικές για τις εφαρμογές της θερμοδυναμικής καθώς μπορούμε προβλέψουμε τις επιπτώσεις τις αλλαγής μιας ιδιότητας επάνω στις άλλες. Μπορούμε π.χ. να ψύξουμε ένα αέριο μειώνοντας την πίεσή του η να το θερμάνουμε μειώνοντας τον όγκο του.
Μια αρκετά ποιο πολύπλοκη καταστατική εξίσωση είναι η εξίσωση των Benedict–Webb–Rubin.
Χρησιμοποιείται στην υδροδυναμική.
Για κάθε τιμή Πίεσης - Θερμοκρασίας και Όγκου ένα σώμα βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη κατάσταση. Μπορεί να είναι αέριο υγρό, στερεό ή συνδυασμός όλων αυτών σε ισορροπία.
Ένας τρόπος να δώσουμε μια οπτική περιγραφή των μεταβολών αυτών είναι με ένα διάγραμμα φάσεων. Λόγω των τριών μεταβλητών μια πλήρης περιγραφή απαιτεί τρισδιάστατο διάγραμμα, όπως το παρακάτω που απεικονίζει τις φάσεις ενός καθαρού μετάλλου.
By Donald L. Smith// - Thin Film Deposition // Principle & Practice //Redrawing by Kyu Ho Lee (revised by H Padleckas), CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12690370
Λόγω πρακτικότητας όμως συνήθως χρησιμοποιούνται δισδιάστατα διαγράμματα που απεικονίζουν δύο από τα τρία μεγέθη. Τα διαγράμματα αυτά μπορεί να είναι Πίεσης - Όγκου, Πίεσης-Θερμοκρασίας κλπ.
Ένα τυπικό δισδιάστατο διάγραμμα Πίεσης - Όγκου είναι το παρακάτω.
Οι λεπτές γραμμές αναπαριστάνουν ισοθερμοκρασιακές μεταβολές. Στα σημεία εντός της καμπύλης το υλικό είναι σε ισορροπία δύο φάσεων (υγρό - αέριο). Αριστερά της καμπύλης είναι εξ ολοκλήρου υγρό και δεξιά εξ ολοκλήρου αέριο. Το σημείο C λέγεται κρίσιμο σημείο. Από εκεί και επάνω δεν γίνεται σαφής διάκριση υγρού - αερίου.
Κάποια υλικά ανάλογα των συνθηκών, μπορούν να υπάρξουν σε περισσότερες από μια μορφές στερεού η υγρού. Αυτές ονομάζονται αλλοτροπικές μορφές και οφείλονται στην διαφορετική διάταξη των ατόμων του υλικού. Το νερό έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον καθώς εικάζεται ότι σε στερεά μορφή (πάγος) μπορεί να εμφανιστεί σε 16 μορφές. Από την τυπική γνωστή μορφή με ονομασία ice I έως ακραίες μορφές πάγου σε συνθήκες ακραίας πίεσης και θερμοκρασίας (ice XI).
Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένα εκτεταμένο διάγραμμα Πίεσης – Θερμοκρασίας του νερού όπου διακρίνονται και οι διάφορες μορφές πάγου που εμφανίζονται.
Το ιδανικό αέριο είναι ένα «φανταστικό» υλικό (αέριο) το οποίο έχει κάποιες αρκετές βολικές ιδιότητες για την μελέτη της θερμοδυναμικής.
Το ιδανικό αέριο δεν μετατρέπεται ποτέ σε υγρό, έχει απεριόριστη συμπιεστότητα και όπως είδαμε έχει την ποιο απλή καταστατική εξίσωση.
Η καταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων μπορεί να εφαρμοστεί με καλή προσέγγιση σε πολλά πραγματικά αέρια. Επίσης, υλικά σε αέρια φάση χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές της θερμοδυναμικής όπως π.χ. στην λειτουργία των μηχανών εσωτερικής καύσης λόγω της μεγάλης συμπιεστότητας τους και μεγάλης μεταβολής του όγκου τους. Για αυτό τον λόγο θεωρείται ως μια από τις βασικότερες και ποιο χρήσιμες καταστατικές εξισώσεις.
Να επαναλάβουμε ότι σε καμία περίπτωση η ποιο πάνω εξίσωση δεν αντιπροσωπεύει την σχέση των ιδιοτήτων πίεσης θερμοκρασίας και όγκου σε όλα τα υλικά. Κάθε υλικό ανάλογα με την σύστασή του έχει την δική του σχέση P-V-T και τις δικές του τιμές αλλαγής φάσης. Για την πλειοψηφία όμως των εφαρμογών η καταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων είναι αρκετή.
Στο παρακάτω διάγραμμα μπορούμε να δούμε τον τρόπο αλληλεπίδρασης των ιδιοτήτων του ιδανικού αερίου σε ένα διάγραμμα Πίεσης - Όγκου. Για το παράδειγμα χρησιμοποιούνται 10 mole ιδανικού αερίου (n=10) ώστε να γίνει ποιο ομαλή η κατανομή των τιμών στο γράφημα.
Επισημαίνεται ότι μια από τις 3 μεταβλητές πρέπει να παραμένει σταθερή προκειμένου να υπάρξει μοναδική λύση. Αυτό καθορίζεται από την επιλογή "Lock" κάτω από κάθε ιδιότητα.
P(Kpa)
V(lt)
T(oK)