Kiinteä olomuoto
Jää · yksifaasitila
Aine on kokonaan kiinteässä faasissa. Molekyylit ovat järjestäytyneet rakenteeseen ja jää säilyttää oman muotonsa.
1 faasi: jää Suhteellinen ominaisentalpia: h ≈ 0…21 kJ/kg kun jää lämpenee −10 → 0 °C.Mitä faasit eli olomuodot ovat?
Faasi tarkoittaa tässä aineen olomuotoa. Vesi voi olla kiinteää jäätä, nestemäistä vettä tai kaasumaista vesihöyryä. Kuvissa on tarkoituksella kaksi yksifaasitilaa ja kaksi kaksifaasitilaa, jotta ero näkyy heti.
Ominaisentalpiat alla ovat suhteellisia tämän simulaation energiatasoja. Vertailutasoksi on valittu 1 kg jäätä lämpötilassa −10 °C: h = 0 kJ/kg. Näin kuvat liittyvät suoraan alla olevaan 1 kg:n energiasimulaatioon.
Sulaminen
Jää + vesi · kaksifaasitila
Sulamisen aikana kiinteää jäätä ja nestemäistä vettä on yhtä aikaa. Energiaa sitoutuu faasimuutokseen, vaikka lämpötila pysyy 0 °C:ssa.
2 faasia: jää + vesi Suhteellinen ominaisentalpia: h ≈ 21…355 kJ/kg. Sulamiseen sitoutuu noin 334 kJ/kg.
Nestemäinen olomuoto
Vesi · yksifaasitila
Kun kaikki jää on sulanut, aine on kokonaan nestettä. Lisäenergia nostaa veden lämpötilaa 0 °C:sta kohti 100 °C:ta.
1 faasi: neste Suhteellinen ominaisentalpia: h ≈ 355…773 kJ/kg veden lämmetessä 0 → 100 °C.
Höyrystyminen
Vesi + höyry · kaksifaasitila
Kiehumisen aikana nestettä ja höyryä on samanaikaisesti. Energiaa sitoutuu erittäin paljon nesteen muuttamiseen höyryksi ilman lämpötilan nousua.
2 faasia: neste + höyry Suhteellinen ominaisentalpia: h ≈ 773…3030 kJ/kg. Höyrystymiseen sitoutuu noin 2257 kJ/kg.
Faasimuutos = olomuodon muutos.
Yksifaasialueella lisäenergia näkyy yleensä lämpötilan muutoksena. Kaksifaasialueella energiaa siirtyy pääasiassa olomuodon muuttamiseen, joten lämpötila pysyy faasimuutoksen ajan lähes vakiona.
jää → vesi = sulaminen
vesi → höyry = höyrystyminen
höyry → vesi = lauhtuminen
vesi → jää = jäätyminen
Nyt seurataan 1 kg vettä −10 °C:sta 120 °C:een
Simulaatio näyttää erikseen lämpötilan nostamiseen kuluvan energian ja olomuodon muuttamiseen kuluvan energian. Näin näet suoraan, miksi sulaminen ja erityisesti höyrystyminen ovat kylmätekniikan kannalta niin merkittäviä.
Faasimuutoksessa energia liikkuu, vaikka lämpötila pysyy vakiona.Seuraa erityisesti 0 °C:n sulamista ja 100 °C:n höyrystymistä.
1 kg H₂O · 1 bar(abs) · kiehumispiste 100 °C
Yksifaasitila · jää
Lämpötila−10,0 °C
OlomuotoJää
Energia0 kJ
Energia vaiheittain
Palkkien korkeus näyttää, kuinka paljon energiaa kukin vaihe tarvitsee 1 kg:lle.
Lisätty energia
0 kJ
Jään lämpeneminen: energia kasvattaa molekyylien liike-energiaa, joten lämpötila nousee.
Miksi faasimuutos tarvitsee niin paljon energiaa?
Lämpötilan noustessa energia kasvattaa ennen kaikkea molekyylien liike-energiaa. Faasimuutoksessa energiaa tarvitaan sen sijaan molekyylien välisten vetysidosten ja muiden vuorovaikutusten voittamiseen. Siksi veden höyrystyminen tarvitsee tässä esimerkissä 2257 kJ/kg – moninkertaisesti enemmän kuin veden lämmittäminen 0 → 100 °C.
Tätä kylmätekniikka hyödyntää: jotta kylmäaine voi muuttua nesteestä höyryksi matalassa paineessa, sen täytyy saada lämpöenergiaa ympäristöstään. Ilman lämmön siirtymistä kylmäaineeseen höyrystyminen ei voi jatkua.
Kylmäjärjestelmässä höyrystymislämpötila pidetään tarkoituksella ympäristöä kylmempänä. Silloin lämpö virtaa luonnostaan lämpimämmästä ympäristöstä kylmempään kylmäaineeseen, ja kylmäaine sitoo tämän energian itseensä kiehuessaan. Tämä on kylmätekniikan ydintoiminto: lämpö saadaan siirtymään jäähdytettävästä kohteesta kylmäaineeseen.
Arkinen esimerkki näkyy jääkaapissa: höyrystimen tai takaseinän pinta voi olla niin kylmä, että ilman kosteus tiivistyy pinnalle ja jäätyy siihen. Siksi jääkaapin takaseinään voi muodostua huurretta tai jäätä.
Paine määrää kyllästymislämpötilan
Veden neste–höyrytasapainossa paine ja kyllästymislämpötila kuuluvat aina yhteen. Kun painetta muutetaan, myös kiehumis- ja lauhtumislämpötila muuttuvat. Kylmätekniikassa sama periaate määrää kylmäaineen höyrystymis- ja lauhtumislämpötilat.
Absoluuttinen paine1,000 bar(abs)
Kyllästymislämpötila≈ 99,6 °C
Neste + höyry: tässä paineessa vesi kiehuu ja höyry lauhtuu samassa kyllästymislämpötilassa.
Huomaa: alle noin 6,1 mbar(abs) ollaan veden kolmoispisteen alapuolella. Siellä nestemäinen vesi ei ole tasapainotilassa mahdollinen, joten liukusäädin näyttää kiehumislämpötilan sijasta jään sublimaatiolämpötilan. Kriittisessä pisteessä, noin 220,64 bar(abs) ja 374 °C, nesteen ja höyryn välinen faasiraja häviää.
Kolmoispiste – kolme faasia samanaikaisesti
Kolmoispiste on lämpötilan ja paineen yhdistelmä, jossa aineen kiinteä, nestemäinen ja kaasumainen faasi voivat esiintyä samanaikaisesti termodynaamisessa tasapainossa.
Mitä kuvasta kannattaa huomata?
Kolmoispiste on faasidiagrammin kohta, jossa kiinteän, nestemäisen ja kaasumaisen faasin rajat kohtaavat.
Erityisesti CO₂-kylmätekniikassa tällä on käytännön merkitys: kun paine laskee alle kolmoispisteen, nestemäistä CO₂:ta ei voi enää esiintyä ja kuivajään muodostuminen tulee mahdolliseksi.
Vedellä kolmoispiste on noin 0,01 °C ja 611 Pa eli 6,11 mbar(abs). Tämän paineen alapuolella nestemäinen vesi ei ole tasapainotilassa mahdollinen. Kun jäätä lämmitetään riittävän matalassa paineessa, se voi muuttua suoraan vesihöyryksi ilman nestemäistä vaihetta. Tätä kutsutaan sublimoitumiseksi.
Kolmoispiste on tärkeä myös kylmätekniikassa. Esimerkiksi hiilidioksidin (CO₂) kolmoispiste on noin −56,6 °C ja 5,18 bar(abs). Tämän paineen alapuolella CO₂ ei voi esiintyä nestemäisenä. Siksi CO₂-järjestelmän paineen laskeminen liian alas voi johtaa kuivajään muodostumiseen.
Faasidiagrammissa kolmoispiste on kohta, jossa sulamis-/jäätymiskäyrä, höyrystymis-/lauhtumiskäyrä ja sublimoitumiskäyrä kohtaavat. Se näyttää yhdellä kertaa, miten paine ja lämpötila määräävät aineen mahdolliset faasit.
Vesi · kolmoispiste0,01 °C · 6,11 mbar(abs)
CO₂ · kolmoispiste−56,6 °C · 5,18 bar(abs)
Muista: kolmoispiste ei tarkoita, että ainetta olisi yhtä paljon kiinteänä, nesteenä ja kaasuna. Se tarkoittaa olosuhdetta, jossa kaikki kolme faasia voivat olla tasapainossa samanaikaisesti.