Fysiikka 2: luku 5 Olomuodot

Aine voi esiintyä kolmessa olomuodossa eli faasissa: kiinteänä aineena, nesteenä ja kaasuna. Yhdeksi olomuodoksi voidaan katsoa myös plasma, jossa kuuman aineen atomeilta on irronnut elektroni tai elektroneja. Plasmassa on elektroneja ja ioneja. Aineen olomuoto riippuu sen tilanmuuttujista eli paineesta, tilavuudesta ja lämpötilasta.

Olomuodon muutoksissa sitoutuu tai vapautuu energiaa. Kun aineeseen tuodaan energiaa, sen lämpötila kohoaa, mikäli sen olomuoto ei muutu. Olomuodon muutoksissa aineen lämpötila pysyy muuttumattomana.

Kappaleen lämpötila riippuu sen rakenneosasten lämpöliikkeestä. Kiinteissä aineissa, joissa atomit ovat järjestäytyneet tiiviiksi rakenteiksi, ja nesteissä aineiden rakenneosaset ovat jatkuvassa värähdysliikkeessä. Värähdysliike on mahdollista vain, kun aineen rakenneosaset ovat sitoutuneet toisiinsa. Kaasujen rakenneosasten lämpöliike on etenemistä, pyörimistä ja törmäyksiä, ei värähdysliikettä. Kun paine on vakio, aineen lämpötila ei muutu olomuodon muutosten aikana.

Faasikaavio

Faasikaavio on malli, jonka avulla voidaan ennustaa, mitä aineelle tapahtuu lämpötilan tai paineen tai molempien muuttuessa. Faasikaaviolla kuvataan aineen eri olomuotoja (T,p)-koordinaatistossa eli eri paineissa ja lämpötiloissa. Tasapainokäyrillä kaksi olomuotoa on tasapainossa keskenään. Esim aineen sulamiskäyrällä kiinteä- ja nestefaasi ovat tasapainossa eli esiintyvät yhtä aikaa. Höyrystymiskäyrällä neste- ja kaasufaasi ovat tasapainossa ja sublimoitumiskäyrällä kiinteä- ja kaasufaasi ovat tasapainossa.

Faasikaavio. Kuva googlen kuvahaku.

Faasikaaviossa tasapainokäyrät kohtaavat pisteessä, jota kutsutaan kolmoispisteeksi. Kolmoispisteen lämpötilassa ja paineessa kaikki kolme olomuotoa ovat tasapainossa ja aine voi esiintyä samanaikaisesti kaikissa kolmessa olomuodossaan. Veden kolmoispiste on tarkasti mitattavissa. Absoluuttisen lämpötila-asteikon eli kelvinasteikon toiseksi peruspisteeksi on valittu veden kolmoispisteen lämpötila, jolle on sovittu 273,16 K. Toinen peruspiste on absoluuttinen nollalämpötila. Molemmat peruspisteet ovat olosuhteista riippumattomia, toisin kuin esim celsiusasteikon peruspisteet eli veden sulamis- ja kiehumispisteet, jotka riippuvat paineesta.

Faasikaavion höyrystymiskäyrä päättyy kriittiseen pisteeseen, joka on kullekin aineelle ominainen lämpötilan (kriittinen lämpötila) ja paineen (kriittinen paine) yhdistelmä. Kriittistä pistettä korkeammissa lämpötiloissa ja paineissa nestemäisen ja kaasumaisen olomuodon raja häviää.

Kun kyse on vedestä, voidaan täsmentää käsitteet höyry ja kaasu. Jos kaasumaisen veden lämpötila on alempi kuin sen kriittinen lämpötila, vettä sanotaan höyryksi. Jos taas kaasumaisen veden lämpötila on korkeampi kuin sen kriittinen lämpötila, puhutaan kaasusta.

Höyrystyminen

Neste voi höyrystyä haihtumalla tai kiehumalla. Höyrystyminen ei edellytä, että aine kokonaisuudessaan olisi sille ominaisessa kiehumispisteessä. Haihtuminen tarkoittaa nesteen höyrystymistä nesteen vapaasta pinnasta. Haihtumista tapahtuu kaikissa lämpötiloissa. Kiehuminen sen sijaan tapahtuu lämpötilassa, jossa nesteen sisäinen höyrynpaine on yhtä suuri tai suurempi kuin ulkoinen paine. Kiehumisen ylläpitämiseen tuotu energia ei nosta nesteen lämpötilaa, koska energia kuluu höyrystymiseen.

Kun suljetussa astiassa oleva neste höyrystyy, höyryn määrä nestepinnan yläpuolella kasvaa. Samalla myös tiivistyminen lisääntyy. Lopulta astiassa saavutetaan dynaaminen tasapainotila. Tällöin höyrystymistä ja tiivistymistä tapahtuu yhtä runsaasti. Astian ilmatilassa olevaa höyryä kutsutaan tällöin kylläiseksi höyryksi ja astiassa vallitsevaa höyryn painetta kylläisen höyryn paineeksi. Tällöin astian ilmatilassa on niin paljon höyryä kuin siihen mahtuu. Faasikaaviossa ollaan silloin höyrystymisrajalla.

Huoneenlämpötilassa olevasta avoimesta vesilasista nesteen pinnalta tapahtuva haihtuminen on runsaampaa kuin tiivistyminen. Tällöin veden sisäinen höyrynpaine on pienempi kuin ulkoinen paine eli ilmanpaine. Kun vettä keitetään avoimessa kattilassa, vesi kiehuu loppuun, koska huoneilmassa olevan veden höyrynpaine on pienempi kuin kylläisen höyryn paine.

Painekattilan normaalia ilmanpainetta korkeammassa paineessa veden kiehumislämpötila on korkeampi kuin 100 °C, joten kattilassa oleva ruoka kypsyy nopeammin.

Ilmankosteus

Ilmankosteudella tarkoitetaan ilmassa höyrynä olevaa vettä. Ilman absoluuttisella kosteudella tarkoitetaan sen sijaan ilmassa olevan vesihöyryn massaa tilavuusyksikköä kohti. Kutakin lämpötilaa vastaa tietty maksimikosteus, joka kertoo vesihöyryn suurimman mahdollisen massan tilavuusyksikköä kohti. Ilman suhteellisella kosteudella tarkoitetaan sitä, kuinka monta prosenttia ilman absoluuttinen kosteus on suurimmasta mahdollisesta kosteudesta. Kun ilman lämpötila alenee, tietyssä lämpötilassa, kastepisteessä, ilmassa oleva vesihöyry tulee kylläiseksi ja tiivistyy. Tällöin ilman suhteellinen kosteus on 100 % ja kastepistettä vastaava kylläisen vesihöyryn paine on yhtä suuri kuin ilmassa olevan vesihöyryn osapaine. Jos kastepiste on veden jäätymispistettä alempi, vesihöyry muuttuu suoraan jääksi. Silloin vesihöyry härmistyy kylmille pinnoille.

Kastepisteessä pyykki ei kuivu, koska silloin vettä ei haihdu ilmaan. Jos ilman suhteellinen kosteus on pieni, vaatteet kuivuvat nopeasti jopa pakkasella, jolloin jää sublimoituu vesihöyryksi ilmaan.