Fázové přechody: typy, klasifikace, vlastnosti a příklady (s diagramem)

Každý má vzpomínku na dobu, kdy byl ještě dítě a měl nečekaně (a nechtěně) zmrzlinu. Možná jste byli na pláži a snažili se držet krok s proudy roztavené zmrzliny stékající po prstech, ale pak celá lopatka spadla do písku. Možná jste nechali zmrzlinu příliš dlouho na slunci a vrátili jste se k zářivé barvě sladké vody. Ať už máte jakékoli zkušenosti, většina lidí má na něco v paměti jasnou paměťpevná fázepřechod nakapalná fázea důsledky této změny.

Fyzici samozřejmě mají specifický jazyk, který popisuje tyto fázové změny mezi různými skupenstvími hmoty. Nemělo by být překvapením, že různé fyzikální vlastnosti materiálů určují, jak se chovají, včetně teplot, při nichž procházejí fázovými změnami. Naučit se, jak vypočítat energii spotřebovanou v těchto fázových změnách, a trochu o příslušné fyzice vlastnosti jsou zásadní pro pochopení všeho od tání ledu po neobvyklejší procesy sublimace.

Většina lidí zná tři hlavní fáze hmoty: tuhou, kapalnou a plynnou. Existuje však také čtvrtý stav hmoty nazývaný plazma, který bude krátce popsán dále v tomto článku. Tělesa jsou nejsnáze pochopitelná; hmota v pevném stavu si drží svůj tvar a není pozoruhodně stlačitelná.

Na příkladu vody je led tuhý stav a je intuitivně jasné, že by se led před vámi zlomil byli schopni jej stlačit na menší objem a i tak by rozbitý led stále zabíral to samé objem. Můžete si také představit houbu jako možný protiklad, ale v tom případě, když ji „komprimujete“, jste opravdu pouhé odstranění všech vzduchových otvorů, které obsahuje v přirozeném stavu - skutečná pevná hmota se nedostane stlačený.

Kapaliny mají tvar nádoby, ve které jsou, ale jsou nestlačitelné stejným způsobem jako pevné látky. Dokonalým příkladem toho je opět kapalná voda, protože je tak známá: Do každé můžete vložit vodu tvar kontejneru, ale nemůžete jej fyzicky stlačit, aby zabral menší objem, než je tomu v jeho přirozeném stavu Stát. Naproti tomu plyny jako vodní pára vyplňují tvar nádoby, ve které jsou, ale lze je stlačit.

Chování každého z nich je vysvětleno jeho atomovou strukturou. V pevné látce existuje pravidelné mřížkové uspořádání atomů, takže tvoří krystalovou strukturu nebo alespoň amorfní hmotu, protože atomy jsou fixovány na místě. V kapalině se molekuly nebo atomy mohou volně pohybovat, ale jsou částečně spojeny vodíkovou vazbou, takže volně proudí, ale má určitou viskozitu. V plynu jsou molekuly zcela odděleny, aniž by je udržovaly pohromadě mezimolekulární síly, a proto může plyn expandovat a stlačovat mnohem volněji než pevné látky nebo kapaliny.

Když do tělesa přidáte teplo, zvyšuje jeho teplotu, dokud nedosáhne bodu tání, ve kterém se věci mění. Tepelná energie, kterou přidáte, jakmile dosáhnete bodu tání, nemění teplotu; poskytuje energii pro fázový přechod z pevné fáze do kapalné fáze, běžně nazývané tavení.

Rovnice popisující proces tavení je:

KdeL​_F je latentní teplo fúze pro materiál,mje hmotnost látky aQje přidané teplo. Jak ukazuje rovnice, jednotkami latentního tepla jsou energie / hmotnost nebo jouly na kg, g nebo jiná míra hmotnosti. Latentní teplo fúze se někdy nazývá entalpie fúze, nebo někdy jen latentní teplo tání.

Pro každou konkrétní látku - například pokud se konkrétně díváte na tání ledu - existuje specifická teplota přechodu, při které k tomu dochází. Pro tavení ledu na kapalnou vodu je teplota fázového přechodu 0 stupňů Celsia nebo 273,15 Kelvina. Můžete vyhledat latentní teplo fúze pro mnoho běžných materiálů online (viz Zdroje), ale pro led je to 334 kJ / kg.

Stejný proces jako při tavení probíhá, když látku odpařujete, kromě toho, že teplota, při které dochází k fázovému přechodu, je bodem varu látky. Stejným způsobem však další energie, kterou dáte látce v tomto bodě, jde do fázového přechodu, v tomto případě z kapalné fáze do plynné fáze. Zde používaný termín je latentní teplo vaporizace (nebo entalpie vaporizace), ale koncept je přesně stejný jako pro latentní teplo fúze.

Rovnice má také stejnou formu:

KdeL​_proti tentokrát je latentní výparné teplo (tabulka hodnot pro běžné materiály viz Zdroje). Opět platí, že pro každou látku existuje specifická teplota přechodu, přičemž kapalná voda prochází tímto přechodem při 100 ° C nebo 373,15 Kelvina. Pokud tedy topíte určitou hmotumvody z teploty místnosti do bodu varu a poté odpařit, existují dva stupně výpočet: energie potřebná k jejímu uvedení na 100 ° C a poté energie potřebná k odpaření to.

Ačkoli se nejčastěji setkáváme s fázovým přechodem z pevné látky na kapalinu (tj. Tání) a fázovým přechodem z kapaliny na plyn (odpařování), může dojít k mnoha dalším přechodům. Zejména,sublimaceje, když látka prochází fázovým přechodem z pevné fáze přímo do plynné fáze.

Nejznámějším příkladem tohoto chování je suchý led, kterým je ve skutečnosti pevný oxid uhličitý. Při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku sublimuje přímo na plynný oxid uhličitý, což z něj činí běžnou volbu pro divadelní mlhové efekty.

Opakem sublimace jedepozicekde plyn prochází změnou stavu přímo na pevnou látku. Toto je další typ fázového přechodu, který je méně často diskutován, ale přesto se vyskytuje v přírodě.

Tlak má velký vliv na teplotu, při které dochází k fázovým přechodům. Při vyšším tlaku je bod odpařování vyšší a při nižších tlacích se snižuje. To je důvod, proč voda vaří při nižší teplotě, když jste vyšší nadmořskou výškou, protože tlak je nižší, a proto také teplota varu. Tento vztah je obvykle demonstrován ve fázovém diagramu, který má osy pro teplotu a tlak a čáry oddělující pevnou, kapalnou a plynnou fázi pro danou látku.

Pokud se pozorně podíváte na fázový diagram, všimnete si, že existuje konkrétní bod, ve kterém je látka na křižovatce všech tří hlavních fází (tj. Plynné, kapalné a pevné fáze). Tomu se říkátrojitý bodnebo kritický bod pro látku a nastává při specifické kritické teplotě a kritickém tlaku.

Čtvrtým stavem hmoty je plazma. To se trochu liší od ostatních stavů hmoty, protože technicky jde o plyn, který byl ionizován (tj. Byly odstraněny elektrony takže jednotlivé atomy mají čistý elektrický náboj) a nemá fázový přechod stejným způsobem jako ostatní stavy hmota.

Jeho chování je však velmi odlišné od typického plynu, protože ho lze považovat za elektricky „kvazi-neutrální“ (protože v protějšku je stejný počet protonů a elektronů)Celýplazma), existují kapsy koncentrovaného náboje a výsledných proudů. Plazma také reagují na elektrická a magnetická pole způsobem, který by typický plyn nereagoval.

Jedním z nejznámějších způsobů, jak popsat přechody mezi různými fázemi, je klasifikační systém Ehrenfest, který rozděluje přechody na fázové přechody prvního a druhého řádu a moderní systém je silně založen na tento. „Pořadí“ přechodu označuje derivaci termodynamické volné energie nejnižšího řádu, která vykazuje diskontinuitu. Například přechody mezi pevnými látkami, kapalinami a plyny jsou fázovými přechody prvního řádu, protože latentní teplo vytváří diskontinuitu v derivátu volné energie.

Fázový přechod druhého řádu má diskontinuitu ve druhé derivaci volné energie, ale v procesu není zahrnuto žádné latentní teplo, takže jsou považovány za kontinuální fázi přechody. Mezi příklady patří přechod na supravodivost (tj. Bod, ve kterém se něco stane supravodičem) a feromagnetický fázový přechod (jak je popsáno v Isingově modelu).

Teorie Landau se používá k popisu chování systému, zejména kolem kritického bodu. Obecně lze říci, že při teplotě fázového přechodu dochází k porušení symetrie, což je zvláště užitečné při popisující přechody v kapalných krystalech, přičemž vysokoteplotní fáze obsahuje více symetrií než nízká teplota fáze.

Předpokládejme, že máte 1 kg blok ledu při teplotě 0 ° C a chcete roztát led a zvýšit teplotu na 20 ° C, něco nad standardní pokojovou teplotu. Jak již bylo zmíněno dříve, každý výpočet, jako je tento, má dvě části: Musíte vypočítat fázi změňte a poté použijte obvyklý přístup k výpočtu energie potřebné ke zvýšení teploty o zadanou hodnotu množství.

Latentní teplo fúze pro vodní led je 334 kJ / kg, takže pomocí rovnice z dřívějšího:

Tání ledu, konkrétně 1 kg, tedy vyžaduje 334 kilojoulů energie. Samozřejmě, pokud pracujete s větším nebo menším množstvím ledu, 1 kg by se jednoduše nahradilo příslušnou hodnotou.

Nyní, když je tato energie přenesena na led, změní fázialestále musí mít teplotu 0 ° C. Chcete-li vypočítat množství tepla, které je třeba přidat, aby se teplota zvýšila na 20 ° C, musíte jednoduše vyhledat specifickou tepelnou kapacitu vody (C= 4 182 J / kg ° C) a použijte standardní výraz:

Kde ∆Tznamená změnu teploty. S informacemi, které máme, se dá snadno vypořádat: Potřebná změna teploty je 20 ° C, takže zbytek procesu jednoduše vloží hodnoty a vypočítá:

Celý proces (tj. Roztavení ledu a ohřev vody) proto vyžaduje:

Většina energie tedy pochází spíše z procesu tavení než z ohřevu. Všimněte si, že tento výpočet fungoval pouze proto, že jednotky byly po celou dobu konzistentní - hmotnost byla vždy v kg a energie byla převedena na kJ pro konečné přidání - a měli byste to vždy zkontrolovat před pokusem o výpočet.

Nyní si představte, že vezmete 1 kg vody při 20 ° C z posledního příkladu a chcete ji převést na vodní páru. Zkuste tento problém vyřešit před čtením, protože proces je v podstatě stejný jako dříve. Nejprve musíte vypočítat množství tepelné energie potřebné k tomu, aby voda dosáhla bodu varu, a pak můžete pokračovat a zjistit, kolik další energie je zapotřebí k odpaření vody.

První fáze je stejně jako druhá fáze předchozího příkladu, kromě nyní ∆T= 80 ° C, protože teplota varu kapalné vody je 100 ° C. Takže použití stejné rovnice dává:

Od okamžiku, kdy bylo přidáno tolik energie, půjde zbytek energie do odpařování kapaliny a budete ji muset vypočítat pomocí druhého výrazu. Tohle je:

KdeL​_proti = 2256 kJ / kg pro kapalnou vodu. Berte na vědomí, že v tomto příkladu je 1 kg vody, můžete vypočítat:

Spojením obou částí procesu získáte celkové potřebné teplo:

Znovu si povšimněte, že drtivá většina tepelné energie použité v tomto procesu (jako u tajícího ledu) je ve fázovém přechodu, nikoli v běžném stupni ohřevu.