انتقالات المرحلة: الأنواع والتصنيفات والخصائص والأمثلة (مع رسم بياني)

كل شخص لديه ذاكرة عندما كان طفلاً وكان الآيس كريم يذوب بشكل غير متوقع (وغير مرغوب فيه). ربما كنت على الشاطئ ، تحاول مواكبة تيارات الآيس كريم الذائب المتساقطة على أصابعك ، ولكن بعد ذلك سقطت المغرفة بأكملها في الرمال. ربما تركت المصاصة في الشمس لفترة طويلة وعادت إلى بركة من الماء السكرية ذات الألوان المضيئة. مهما كانت تجربتك ، فإن معظم الناس لديهم ذاكرة واضحة لشيء ما فيالحالة الصلبةالانتقال إلىالطور السائل، وعواقب هذا التغيير.

بالطبع ، لدى الفيزيائيين لغة محددة لوصف تغيرات الطور هذه بين حالات المادة المختلفة. لا ينبغي أن يكون مفاجئًا أن الخصائص الفيزيائية المختلفة للمواد تتحكم في سلوكها ، بما في ذلك درجات الحرارة التي تخضع عندها لتغييرات المرحلة. تعلم كيف تحسب الطاقة المستهلكة في هذه التغييرات الطور والقليل عن المادية ذات الصلة الخصائص ضرورية لفهم كل شيء من ذوبان الجليد إلى عمليات غير عادية مثل تسامي.

يعرف معظم الناس المراحل الثلاث الرئيسية للمادة: الصلبة والسائلة والغازية. ومع ذلك ، هناك أيضًا حالة رابعة للمادة تسمى البلازما ، والتي سيتم وصفها بإيجاز لاحقًا في هذه المقالة. المواد الصلبة هي الأسهل في الفهم ؛ المادة في الحالة الصلبة تحمل شكلها وغير قابلة للضغط بدرجة ملحوظة.

باستخدام الماء كمثال ، الجليد هو الحالة الصلبة ، ومن الواضح بشكل بديهي أن الجليد قد ينكسر أمامك كانوا قادرين على ضغطه إلى حجم أصغر ، وحتى بعد ذلك سيظل الجليد المكسور يأخذ نفس الشيء أربعة حجمالخامس. قد تفكر أيضًا في الإسفنج كمثال مضاد محتمل ، ولكن في هذه الحالة ، عندما "تضغطه" ، فأنت حقًا مجرد إزالة جميع فتحات الهواء التي تحتوي عليها في حالتها الطبيعية - لا تحصل المادة الصلبة الفعلية مضغوط.

تأخذ السوائل شكل الحاوية التي بداخلها ، لكنها غير قابلة للضغط مثل المواد الصلبة. مرة أخرى ، الماء السائل هو خير مثال على ذلك لأنه مألوف جدًا: يمكنك وضع الماء في أي منها شكل الحاوية ، ولكن لا يمكنك ضغطها فعليًا لتستهلك حجمًا أقل مما هو عليه في الحجم الطبيعي حالة. من ناحية أخرى ، تملأ الغازات مثل بخار الماء شكل الحاوية التي توجد بداخلها ولكن يمكن ضغطها.

يتم تفسير سلوك كل من خلال هيكلها الذري. في المادة الصلبة ، يوجد ترتيب شبكي منتظم للذرات ، لذلك فهي تشكل بنية بلورية أو على الأقل كتلة غير متبلورة لأن الذرات ثابتة في مكانها. في السائل ، تكون الجزيئات أو الذرات حرة الحركة ولكنها متصلة جزئيًا من خلال رابطة هيدروجينية ، لذلك تتدفق بحرية ولكن لها بعض اللزوجة. في الغاز ، يتم فصل الجزيئات تمامًا ، دون وجود قوى بين الجزيئات تحافظ على تماسكها ، وهذا هو السبب في أن الغاز يمكن أن يتوسع ويضغط بحرية أكبر بكثير من المواد الصلبة أو السائلة.

عندما تضيف حرارة إلى مادة صلبة ، فإنها تزيد من درجة حرارتها حتى تصل إلى نقطة الانصهار ، وفي هذه المرحلة تتغير الأشياء. الطاقة الحرارية التي تضيفها بمجرد وصولك إلى نقطة الانصهار لا تغير درجة الحرارة ؛ يوفر الطاقة لانتقال الطور من المرحلة الصلبة إلى المرحلة السائلة ، والتي تسمى عادةً الذوبان.

المعادلة التي تصف عملية الذوبان هي:

أينإل​_F هي الحرارة الكامنة لانصهار المادة ،مهي كتلة المادة وسهي الحرارة المضافة. كما توضح المعادلة ، فإن وحدات الحرارة الكامنة هي طاقة / كتلة ، أو جول لكل كيلوغرام أو غرام أو أي مقياس آخر للكتلة. تسمى أحيانًا الحرارة الكامنة للانصهار المحتوى الحراري للاندماج ، أو أحيانًا فقط الحرارة الكامنة للذوبان.

بالنسبة إلى أي مادة محددة - على سبيل المثال ، إذا كنت تبحث تحديدًا في ذوبان الجليد - فهناك درجة حرارة انتقال معينة يحدث عندها هذا. بالنسبة لذوبان الجليد إلى ماء سائل ، تكون درجة حرارة انتقال الطور 0 درجة مئوية أو 273.15 كلفن. يمكنك البحث عن الحرارة الكامنة للانصهار للعديد من المواد الشائعة على الإنترنت (انظر الموارد) ، ولكن بالنسبة للثلج تبلغ 334 كيلو جول / كجم.

تحدث نفس عملية الذوبان عندما تتبخر مادة ما ، باستثناء أن درجة الحرارة التي يحدث فيها انتقال الطور هي نقطة غليان المادة. وبالطريقة نفسها ، فإن الطاقة الإضافية التي تمنحها للمادة في هذه المرحلة تذهب إلى انتقال الطور ، في هذه الحالة من الطور السائل إلى الطور الغازي. المصطلح المستخدم هنا هو الحرارة الكامنة للتبخر (أو المحتوى الحراري للتبخر) ، لكن المفهوم هو نفسه تمامًا مثل الحرارة الكامنة للانصهار.

تأخذ المعادلة أيضًا نفس الشكل:

أينإل​_الخامس هذه المرة هي الحرارة الكامنة للتبخر (انظر الموارد لجدول قيم المواد الشائعة). مرة أخرى ، هناك درجة حرارة انتقالية محددة لكل مادة ، حيث يمر الماء السائل بهذا التحول عند 100 درجة مئوية أو 373.15 كلفن. لذلك إذا كنت تقوم بتسخين كتلة معينةممن درجة حرارة الغرفة إلى نقطة الغليان ثم تبخيرها ، وهناك مرحلتان الحساب: الطاقة المطلوبة للوصول إلى 100 درجة مئوية ، ثم الطاقة اللازمة للتبخير هو - هي.

على الرغم من أن انتقال الطور من الحالة الصلبة إلى السائلة (أي الذوبان) والمرحلة من السائل إلى الغاز (التبخير) هي الأكثر شيوعًا ، إلا أن هناك العديد من التحولات الأخرى التي يمكن أن تحدث. خاصه،تساميهو عندما تمر مادة ما بمرحلة انتقالية من الطور الصلب مباشرة إلى الطور الغازي.

المثال الأكثر شهرة لهذا السلوك هو الجليد الجاف ، وهو في الواقع ثاني أكسيد الكربون الصلب. في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي ، يتسامح مباشرة إلى غاز ثاني أكسيد الكربون ، وهذا يجعله خيارًا شائعًا لتأثيرات الضباب المسرحية.

عكس التسامي هوإيداع، حيث يخضع الغاز لتغير حالته مباشرة إلى مادة صلبة. هذا نوع آخر من انتقال الطور أقل شيوعًا في المناقشة ولكنه لا يزال يحدث في الطبيعة.

للضغط تأثير كبير على درجة الحرارة التي تحدث فيها تحولات الطور. عند الضغط العالي ، تكون نقطة التبخر أعلى ، وتنخفض عند الضغط المنخفض. هذا هو السبب في أن الماء يغلي عند درجة حرارة منخفضة عندما تكون أعلى في الارتفاع ، لأن الضغط يكون أقل وبالتالي تكون نقطة الغليان كذلك. عادة ما يتم توضيح هذه العلاقة في مخطط الطور ، الذي يحتوي على محاور لدرجة الحرارة والضغط ، وخطوط تفصل بين المراحل الصلبة والسائلة والغازية للمادة المعنية.

إذا نظرت بعناية إلى مخطط الطور ، ستلاحظ أن هناك نقطة محددة تكون فيها المادة عند تقاطع المراحل الرئيسية الثلاثة (أي الغاز والسائل والصلب). هذا يسمىالنقطة الثلاثية، أو النقطة الحرجة للمادة ، وتحدث عند درجة حرارة حرجة معينة وضغط حرج.

الحالة الرابعة للمادة هي البلازما. هذا يختلف قليلاً عن حالات المادة الأخرى ، لأنه تقنيًا غاز تم تأينه (أي تمت إزالة الإلكترونات منه لذلك فإن الذرات المكونة لها شحنة كهربائية صافية) ، وبالتالي ليس لها انتقال طور بنفس الطريقة مثل الحالات الأخرى شيء.

ومع ذلك ، يختلف سلوكه كثيرًا عن الغاز العادي ، لأنه في حين يمكن اعتباره "شبه محايد" كهربائيًا (نظرًا لوجود عدد متساوٍ من البروتونات والإلكترونات فيكلالبلازما) ، هناك جيوب من الشحنة المركزة والتيارات الناتجة. تستجيب البلازما أيضًا للمجالات الكهربائية والمغناطيسية بطريقة لا يستجيب لها الغاز الطبيعي.

يعد نظام تصنيف Ehrenfest أحد أكثر الطرق شهرة لوصف التحولات بين المراحل المختلفة ، الذي يقسم الانتقالات إلى انتقالات طور من الدرجة الأولى والثانية ، ويستند النظام الحديث بشدة إلى هذا. يشير "ترتيب" الانتقال إلى أدنى مشتق من الطاقة الحرارية الديناميكية الحرة التي تظهر عدم الاستمرارية. على سبيل المثال ، التحولات بين المواد الصلبة والسوائل والغازات هي انتقالات طور من الدرجة الأولى لأن الحرارة الكامنة تخلق انقطاعًا في مشتق الطاقة الحرة.

المرحلة الانتقالية من الدرجة الثانية لها انقطاع في المشتق الثاني للطاقة الحرة ، لكن لا توجد حرارة كامنة متضمنة في العملية ، لذا فهي تعتبر مرحلة مستمرة الانتقالات. تشمل الأمثلة الانتقال إلى الموصلية الفائقة (أي النقطة التي يصبح عندها شيء ما موصلًا فائقًا) وانتقال الطور المغنطيسي الحديدي (كما هو موضح في نموذج Ising).

تُستخدم نظرية لانداو لوصف سلوك النظام ، لا سيما حول نقطة حرجة. بشكل عام ، هناك كسر تناسق في درجة حرارة انتقال الطور ، وهذا مفيد بشكل خاص في يصف التحولات في البلورات السائلة ، مع احتواء مرحلة درجة الحرارة المرتفعة على تناظرات أكثر من درجة الحرارة المنخفضة مرحلة.

لنفترض أن لديك كتلة من الثلج تزن 1 كجم عند درجة حرارة 0 درجة مئوية ، وتريد إذابة الجليد ورفع درجة الحرارة إلى 20 درجة مئوية ، وهو ما يزيد قليلاً عن درجة حرارة الغرفة القياسية. كما ذكرنا سابقًا ، هناك جزأين لأي عملية حسابية مثل هذا: تحتاج إلى حساب المرحلة تغيير ثم استخدام النهج المعتاد لحساب الطاقة اللازمة لرفع درجة الحرارة عن طريق المحدد كمية.

تبلغ الحرارة الكامنة لانصهار جليد الماء 334 كيلو جول / كجم ، لذلك باستخدام المعادلة السابقة:

لذا فإن ذوبان الجليد ، 1 كجم على وجه التحديد ، يستهلك 334 كيلوجول من الطاقة. بالطبع ، إذا كنت تعمل بكمية أكبر أو أصغر من الثلج ، فسيتم ببساطة استبدال 1 كجم بالقيمة المناسبة.

الآن ، عندما يتم نقل هذه الطاقة إلى الجليد ، ستكون قد تغيرت المرحلةلكنلا يزال عند درجة حرارة 0 درجة مئوية. لحساب كمية الحرارة التي تحتاج إلى إضافتها لرفع درجة الحرارة إلى 20 درجة مئوية ، ما عليك سوى البحث عن السعة الحرارية المحددة للماء (ج= 4،182 J / kg ° C) واستخدم التعبير القياسي:

أين ∆تيلتقف على التغيير في درجة الحرارة. من السهل معرفة ذلك باستخدام المعلومات المتوفرة لدينا: التغيير في درجة الحرارة المطلوبة هو 20 درجة مئوية ، وبالتالي فإن باقي العملية هو ببساطة إدخال القيم وحساب:

تتطلب العملية برمتها (أي إذابة الجليد وتسخين الماء) ما يلي:

لذا فإن معظم الطاقة تأتي من عملية الذوبان ، بدلاً من التسخين. لاحظ أن هذا الحساب نجح فقط لأن الوحدات كانت متسقة طوال الوقت - كانت الكتلة دائمًا بالكيلوجرام ، و تم تحويل الطاقة إلى كيلوجول للإضافة النهائية - ويجب عليك دائمًا التحقق من ذلك قبل محاولة عملية حسابية.

تخيل الآن أنك تأخذ 1 كجم من الماء عند 20 درجة مئوية من المثال الأخير ، وتريد تحويله إلى بخار ماء. حاول حل هذه المشكلة قبل القراءة مسبقًا ، لأن العملية هي نفسها كما كانت من قبل. أولاً ، تحتاج إلى حساب كمية الطاقة الحرارية المطلوبة لإيصال الماء إلى نقطة الغليان ، وبعد ذلك يمكنك المتابعة وتحديد مقدار الطاقة الإضافية اللازمة لتبخير الماء.

المرحلة الأولى تشبه المرحلة الثانية من المثال السابق ماعدا الآن ∆تي= 80 درجة مئوية ، حيث تبلغ درجة غليان الماء السائل 100 درجة مئوية. لذا فإن استخدام نفس المعادلة يعطي:

من النقطة التي تم فيها إضافة هذا القدر من الطاقة ، ستذهب بقية الطاقة إلى تبخير السائل ، وستحتاج إلى حسابها باستخدام التعبير الآخر. هذا هو:

أينإل​_الخامس = 2256 كج / كغ للماء السائل. مع ملاحظة أن هناك 1 كجم من الماء في هذا المثال ، يمكنك حساب:

إن إضافة كلا الجزأين من العملية معًا يعطي الحرارة الإجمالية المطلوبة:

لاحظ مرة أخرى أن الغالبية العظمى من الطاقة الحرارية المستخدمة في هذه العملية (كما هو الحال مع ذوبان الجليد) تمر بمرحلة انتقالية ، وليست مرحلة التسخين العادية.