Фазови преходи: типове, класификации, свойства и примери (с диаграма)

Всеки има спомен от детството си и неочаквано (и нежелано) се е стопил сладолед. Може би сте били на плажа, опитвайки се да се справите с потоците разтопен сладолед, стичащи се по пръстите ви, но после цялата лъжичка е паднала в пясъка. Може би сте оставили попсол на слънце твърде дълго и сте се върнали в блестяща локва сладка вода. Какъвто и да е вашият опит, повечето хора имат някакъв ясен спомен за нещо втвърда фазапреминаване къмтечна фаза, и последиците от тази промяна.

Разбира се, физиците имат специфичен език, за да опишат тези фазови промени между различните състояния на материята. Не би трябвало да е изненадващо, че различните физични свойства на материалите управляват тяхното поведение, включително температурите, при които те се подлагат на фазови промени. Научете как изчислявате енергията, изразходвана в тези фазови промени, и малко за съответната физическа свойствата е от решаващо значение за разбирането на всичко - от топенето на лед до по-необичайни процеси като сублимация.

Повечето хора са запознати с трите основни фази на материята: твърда, течна и газова. Съществува обаче и четвърто състояние на материята, наречено плазма, което ще бъде описано накратко по-късно в тази статия. Твърдите вещества са най-лесни за разбиране; веществото в твърдо състояние държи формата си и не се сгъстява в значителна степен.

Като използваме водата като пример, ледът е в твърдо състояние и е интуитивно ясно, че ледът ще се счупи преди вас са успели да го компресират в по-малък обем и дори тогава натрошеният лед пак ще заема същото сила на звука. Може също да помислите за гъба като за възможен контра пример, но в този случай, когато я „компресирате“, вие наистина сте просто премахване на всички въздушни дупки, които съдържа в естественото си състояние - действителната твърда материя не се получава компресиран.

Течностите приемат формата на контейнера, в който се намират, но са несвиваеми по същия начин като твърдите вещества. Отново течната вода е идеалният пример за това, защото е толкова позната: можете да поставите вода във всяка форма на контейнера, но не можете да го компресирате физически, за да заеме по-малко обем, отколкото в естествения си вид държава. От друга страна, газове като водна пара изпълват формата на контейнера, в който се намират, но могат да бъдат компресирани.

Поведението на всеки се обяснява с неговата атомна структура. В едно твърдо вещество има правилно решетъчно разположение на атомите, така че то образува кристална структура или поне аморфна маса, тъй като атомите са фиксирани на място. В течност молекулите или атомите са свободни да се движат, но са частично свързани чрез водородна връзка, така че тече свободно, но има известен вискозитет. При газ молекулите са напълно разделени, без междумолекулни сили да ги държат заедно, поради което газът може да се разширява и компресира много по-свободно от твърди вещества или течности.

Когато добавите топлина към твърдо вещество, то увеличава температурата си, докато достигне точката си на топене, на който етап нещата се променят. Топлинната енергия, която добавяте, след като сте в точката на топене, не променя температурата; той осигурява енергия за фазовия преход от твърдата фаза към течната фаза, обикновено наричана топене.

Уравнението, описващо процеса на топене, е:

КъдетоL​_е е скритата топлина на топене за материала,ме масата на веществото иВъпрос:е добавената топлина. Както показва уравнението, единиците на латентна топлина са енергия / маса или джаули на kg, g или друга мярка за маса. Скритата топлина на синтез понякога се нарича енталпия на синтез или понякога просто скритата топлина на топене.

За всяко конкретно вещество - например, ако търсите конкретно топенето на лед - има специфична температура на преход, при която това се случва. За топенето на лед в течна вода температурата на фазовия преход е 0 градуса по Целзий или 273,15 Келвина. Можете да потърсите скритата топлина на синтез за много често срещани материали онлайн (вж. Ресурси), но за лед това е 334 kJ / kg.

Същият процес като при топене се случва, когато изпарите вещество, с изключение на това, че температурата, при която се осъществява фазовият преход, е точката на кипене на веществото. По същия начин обаче допълнителната енергия, която давате на веществото в този момент, преминава във фазовия преход, в този случай от течната фаза в газовата фаза. Терминът, използван тук, е скритата топлина на изпаряване (или енталпията на изпаряване), но концепцията е точно същата като за скритата топлина на синтез.

Уравнението също има същата форма:

КъдетоL​_v това време е скритата топлина на изпаряване (вж. Ресурси за таблица на стойностите за обикновени материали). Отново има специфична температура на преход за всяко вещество, като течната вода преминава през този преход при 100 C или 373,15 Kelvin. Така че, ако нагрявате определена масамвода от стайна температура до точка на кипене и след това изпаряването й има два етапа изчислението: енергията, необходима за довеждането му до 100 C, и след това енергията, необходима за изпаряване то.

Въпреки че фазовият преход от твърдо към течно (т.е. топене) и този от течност към газ (изпаряване) са най-често срещаните, има много други преходи, които могат да възникнат. В частност,сублимацияе, когато веществото претърпи фазов преход от твърда фаза директно в газообразна фаза.

Най-известният пример за това поведение е в сух лед, който всъщност е твърд въглероден диоксид. При стайна температура и атмосферно налягане той се сублимира директно в газ от въглероден диоксид и това го прави често срещан избор за театрални ефекти на мъгла.

Обратното на сублимацията еотлагане, където газът претърпява промяна на състоянието директно в твърдо вещество. Това е друг тип фазов преход, който се обсъжда по-рядко, но все още се среща в природата.

Налягането оказва голямо влияние върху температурата, при която се случват фазовите преходи. При по-високо налягане точката на изпаряване е по-висока и тя намалява при по-ниско налягане. Ето защо водата кипи при по-ниска температура, когато сте на по-голяма надморска височина, защото налягането е по-ниско и следователно и точката на кипене също. Тази връзка обикновено се демонстрира във фазова диаграма, която има оси за температура и налягане и линии, разделящи твърдата, течната и газовата фази за въпросното вещество.

Ако разгледате внимателно фазовата диаграма, ще забележите, че има конкретна точка, в която веществото е в пресечната точка на трите основни фази (т.е. газовата, течната и твърдата фаза). Това се наричатройна точка, или критичната точка за веществото, и това се случва при определена критична температура и критично налягане.

Четвъртото състояние на материята е плазмата. Това е малко по-различно от останалите състояния на материята, защото технически това е газ, който е йонизиран (т.е. ако електроните са отстранени така че съставните атоми имат нетен електрически заряд) и така той няма фазов преход по същия начин като другите състояния на материя.

Поведението му обаче е много различно от типичния газ, тъй като макар да може да се счита за електрически „квази-неутрален“ (тъй като има еднакъв брой протони и електрони вцялоплазма), има джобове с концентриран заряд и произтичащи токове. Плазмата също реагира на електрическо и магнитно поле по начин, който типичният газ не би направил.

Един от най-известните начини за описване на преходи между различни фази е класификационната система на Ehrenfest, което разделя преходите на фазови преходи от първи и втори ред и модерната система е силно базирана на това. "Редът" на прехода се отнася до производното от най-ниския ред на термодинамичната свободна енергия, което показва прекъсване. Например преходите между твърди вещества, течности и газове са фазови преходи от първи ред, защото латентната топлина създава прекъсване в производното на свободната енергия.

Фазовият преход от втори ред има прекъсване във второто производно на свободната енергия, но в процеса не участва латентна топлина, така че те се считат за непрекъсната фаза преходи. Примерите включват преход към свръхпроводимост (т.е. точката, в която нещо се превръща в свръхпроводник) и феромагнитният фазов преход (както е описано от модела на Изинг).

Теорията на Ландау се използва за описване на поведението на системата, особено около критична точка. Най-общо казано, има нарушаване на симетрията при температурата на фазовия преход и това е особено полезно при описване на преходи в течни кристали, като високотемпературната фаза съдържа повече симетрии от ниската температура фаза.

Да приемем, че имате 1-килограмов блок лед при 0 C и искате да разтопите леда и да повишите температурата до 20 C, малко над стандартната стайна температура. Както бе споменато по-рано, има две части за всяко изчисление като това: Трябва да изчислите фазата промяна и след това използвайте обичайния подход за изчисляване на енергията, необходима за повишаване на температурата с определената количество.

Латентната топлина на синтез за воден лед е 334 kJ / kg, така че използвайки уравнението от по-рано:

Така че топенето на лед, по-специално 1 кг, отнема 334 килоджаула енергия. Разбира се, ако работите с по-голямо или по-малко количество лед, 1 кг просто ще бъде заменен със съответната стойност.

Сега, когато тази енергия се пренесе в леда, тя ще промени фазатановсе още да е при температура от 0 C. За да изчислите количеството топлина, което трябва да добавите, за да повишите температурата до 20 C, просто трябва да потърсите специфичния топлинен капацитет на водата (° С= 4,182 J / kg ° C) и използвайте стандартния израз:

Където ∆Tозначава промяната в температурата. Това е лесно да се разбере с информацията, която имаме: Необходимата промяна в температурата е 20 C, така че останалата част от процеса е просто вмъкване на стойностите и изчисляване:

Следователно целият процес (т.е. топене на леда и нагряване на водата) изисква:

Така че по-голямата част от енергията идва от процеса на топене, а не от отоплението. Обърнете внимание, че това изчисление е работило само защото единиците са били постоянни през цялото време - масата винаги е била в kg и енергията се преобразува в kJ за окончателното добавяне - и винаги трябва да проверявате това, преди да опитате a изчисление.

Сега си представете, че сте взели 1 кг вода при 20 C от последния пример и искате да го превърнете във водна пара. Опитайте се да разрешите този проблем, преди да прочетете напред, защото процесът по същество е същият като преди. Първо, трябва да изчислите количеството топлинна енергия, необходимо за довеждането на водата до точката на кипене, и след това можете да продължите и да разберете колко допълнителна енергия е необходима за изпаряване на водата.

Първият етап е точно като втория етап от предишния пример, с изключение на сега ∆T= 80 C, тъй като точката на кипене на течната вода е 100 C. Така че използването на същото уравнение дава:

От момента, в който е добавено толкова много енергия, останалата част от енергията ще отиде за изпаряване на течността и ще трябва да я изчислите, използвайки другия израз. Това е:

КъдетоL​_v = 2256 kJ / kg за течна вода. Като отбелязвате, че в този пример има 1 кг вода, можете да изчислите:

Добавянето на двете части на процеса заедно дава общата необходима топлина:

Отново имайте предвид, че по-голямата част от топлинната енергия, използвана в този процес (както при топенето на лед), е във фазов преход, а не в обичайния етап на нагряване.