Vands fasediagram – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

20. februar 2012

Vands fasediagram

Hej Spørg om Fysik
Jeg har et spørgsmål, der kort kan formuleres således: "I hvilken fase, væske eller gas, er et stof i området over dets kritiske punkt, og hvordan forløber faseovergangen af en proces, fx. opvarmning, der forløber ved et tryk der ligger over væskens kritiske tryk?"

Og lidt mere uddybende: Hvis man ser på et p-h diagram (pressure - enthalpi) for fx. vand, forstår jeg glimrende faseovergangen, fra vand, vand/damp i blandingsfasen, til damp, ved fx. alm. atmosfærisk tryk. Til venstre for den klokkeformede kurve er væskefasen, til højre dampfasen, men hvad er tilstanden over klokken, altså over det kritiske tryk?

Hvis man nu tager en lukket beholder med 60 deg.C varmt vand (1), udsætter vandet for et tryk på 30 MPa (2) og herefter opvarmer det til fx. 500 deg.C under konstant tryk (3), hvordan foregår faseovergangen så? Da opvarmningen foregår over det kritiske punkt, bliver det vel ved med at være i vandig fase, men hvis man nu tager trykket af beholderen og sænker det til atmosfærisk tryk (100 kPa) (4), i hvilke fase er vandet nu? Når man ser på punktet i p-h diagrammet ligger det i dampfasen, men hvornår og hvordan bliver det til damp?

Ligeledes kan man forestille sig det modsatte forløb. Hvis man starter med damp ved 100 kPa og 300 deg.C (4) og øger trykket til 30 MPa (3), er der vel damp i beholderen, eller hvad? Hvis vi nu lader processen forløbe videre til punkt 2 og derefter til punkt 1, hvornår fortættes dampen til vand?

Dette leder yderligere til spørgsmålet: Kan man have to forskellige faser i det samme punkt?

Jeg vedlægger et p-h diagram for vand, med det beskrevne forløb indtegnet (så behøver I ikke at bruge tid på at finde et), og håber, at høre fra jer snart.

Med venlig hilsen
F P

Jeg finder det lettere at beskrive vands egenskaber i et normalt fasediagram, som vist nedenfor.

Princip for vands fasediagram

På grafen er overgangen imellem fast stof og damp angivet rød. Overgangen her sker ved sublimation dvs. direkte fordampning af fast stof. Overgangen imellem væske og fast stof er markeret grøn. Overgangen her sker som en smeltning dvs. fast stof bliver til væske. Overgangen imellem væske og damp er markeret blå, processen her er en fordampning, væske bliver til damp.

Til venstre for den grøn-røde kurve er der fast stof (næsten usammentrykkeligt), imellem den grønne og blå kurve normal væske (næsten usammentrykkelig), og under den røde og den blå kurve gas (sammentrykkelig). Overalt på kurverne - men kun der - kan man have to faser samtidigt. I trippelpunktet kan man dog  have  tre faser. Over det kritiske punkt uanset om det er trykket eller temperaturen, der er høj, har man kun én fase, som man efter behag kan kalde væske eller gas.

Bevæger man sig fra dampfasen udenom det kritiske punkt til "væskesiden" af den blå kurve, ser man ikke nogen overflade, den vil først vise sig, hvis man går ned til den blå kurve (damptrykskurven for mættet damp).

Kritiske data for en række stoffer:

Stof Kritisk temp. (K) Kritisk tryk (kPa)
Argon 150,8 4870
Brom 584,0 10300
Cæsium 1938,00 9500
Chlor 417,0 7700
Ethanol 514 6300
Fluor 144,30 5220
Guld 7250 510000
Helium 5,19 227
Hydrogen 33,20 1300
Krypton 209,4 5500
Kviksølv 1750,1 174000
Lithium 3220 66100
Neon 44,40 2760
Nitrogen 126,3 3390
Oxygen 154,6 5050
CO2 304,18 7380
Xenon 289,8 5840
Vand 647,096 22064

Når man nærmer sig det kritiske punkt langs den blå kurve, kommer væske og gasegenskaberne mere og mere til at ligne hinanden. I og over det kritiske punkt har man en væske eller gas (vælg selv!), som er homogen og superkritisk, fordampningsvarmen er 0. Der er altså kun en fase.

Når man passerer det kritiske punkt bliver væsken farvet og uigennemsigtigt kortvarigt, idet der opstår en kaotisk tilstand, man kalder kritisk opalesens.

Jeg har forsøgt at indlægge en kurve svarende til den, som spørgeren har beskrevet, i orange. Som det ses, passerer den ingen fasegrænser, og man vil ikke opleve nogen faseændring  (fordampnings - eller fortætnings varmetoning) ved at følge den.

Med venlig hilsen
Finn Berg Rasmussen
Malte Olsen