Faseovergange: Typer, klassifikationer, egenskaber og eksempler (med diagram)

Alle har en hukommelse fra da de var små og havde is smeltet uventet (og uønsket). Måske var du på stranden og forsøgte at følge med strømmen af ​​smeltet is, der løb ned over dine fingre, men så faldt hele scoop ud i sandet. Måske efterlod du en popsicle ude i solen for længe og kom tilbage til en lysende vandpyt med sukkerholdigt vand. Uanset din oplevelse har de fleste mennesker en klar hukommelse om noget ifast faseovergang tilflydende faseog konsekvenserne af denne ændring.

Naturligvis har fysikere et specifikt sprog til at beskrive disse faseændringer mellem forskellige tilstandstilstande. Det bør ikke komme som en overraskelse, at materialernes forskellige fysiske egenskaber styrer, hvordan de opfører sig, herunder temperaturerne, hvor de gennemgår faseændringer. Lær hvordan du beregner energien brugt i disse faseændringer og lidt om det relevante fysiske egenskaber er afgørende for at forstå alt fra smeltning af is til mere usædvanlige processer som f.eks sublimering.

De fleste mennesker kender de tre hovedfaser af stof: fast stof, væske og gas. Der er imidlertid også en fjerde tilstand af stof kaldet plasma, som vil blive beskrevet kort senere i denne artikel. Tørstof er den letteste at forstå; materie i fast tilstand holder sin form og kan ikke komprimeres i bemærkelsesværdig grad.

Ved hjælp af vand som eksempel er is den faste tilstand, og det er intuitivt klart, at is ville bryde foran dig var i stand til at komprimere det til et mindre volumen, og selv da ville den ødelagte is stadig tage det samme bind. Du kan også tænke på en svamp som et muligt modeksempel, men i så fald når du "komprimerer" den, er du virkelig bare fjerne alle de lufthuller, den indeholder i sin naturlige tilstand - det faktiske faste stof får ikke komprimeret.

Væsker har form af beholderen, som de er i, men de er ukomprimerbare på samme måde som faste stoffer. Igen er flydende vand det perfekte eksempel på dette, fordi det er så kendt: Du kan putte vand i ethvert beholderens form, men du kan ikke fysisk komprimere den for at tage mindre volumen end den gør i sin naturlige stat. Gasser som vanddamp fylder derimod formen af ​​beholderen, de er i, men kan komprimeres.

Hver opførsel forklares med dets atomstruktur. I et fast stof er der et regelmæssigt gitterarrangement af atomer, så det danner en krystalstruktur eller i det mindste en amorf masse, fordi atomerne er fastgjort på plads. I en væske er molekylerne eller atomerne frie til at bevæge sig, men er delvist forbundet via hydrogenbinding, så den flyder frit, men har en vis viskositet. I en gas er molekylerne fuldstændigt adskilt uden intermolekylære kræfter, der holder dem sammen, hvorfor en gas kan ekspandere og komprimere meget mere frit end enten faste stoffer eller væsker.

Når du tilføjer varme til et fast stof, øger det temperaturen, indtil det når sit smeltepunkt, på hvilket tidspunkt ting ændrer sig. Den varmeenergi, du tilføjer, når du er ved smeltepunktet, ændrer ikke temperaturen; det giver energi til faseovergangen fra den faste fase til den flydende fase, der almindeligvis kaldes smeltning.

Ligningen, der beskriver smeltningsprocessen, er:

HvorL​_f er den latente fusionsvarme for materialet,mer stoffets masse ogSpørgsmåler varmen tilsat. Som ligningen viser, er enhederne af latent varme energi / masse eller joule pr. Kg, g eller et andet mål for massen. Den latente fusionsvarme kaldes undertiden fusionens entalpi eller nogle gange bare den latente smeltevarme.

For ethvert specifikt stof - for eksempel, hvis du ser specifikt på smeltning af is - er der en specifik overgangstemperatur, hvor dette sker. Til smeltning af is i flydende vand er faseovergangstemperaturen 0 grader Celsius eller 273,15 Kelvin. Du kan slå den latente fusionsvarme op for mange almindelige materialer online (se Ressourcer), men for is er det 334 kJ / kg.

Den samme proces som ved smeltning sker, når du fordamper et stof, bortset fra at temperaturen, ved hvilken faseovergangen finder sted, er stoffets kogepunkt. På samme måde går den ekstra energi, du giver til stoffet på dette tidspunkt, imidlertid ind i faseovergangen, i dette tilfælde fra den flydende fase til gasfasen. Udtrykket brugt her er den latente fordampningsvarme (eller fordampningens entalpi), men konceptet er nøjagtigt det samme som for den latente fusionsvarme.

Ligningen har også samme form:

HvorL​_v denne gang er den latente fordampningsvarme (se Ressourcer for en tabel over værdier for almindelige materialer). Igen er der en specifik overgangstemperatur for hvert stof, hvor flydende vand gennemgår denne overgang ved 100 ° C eller 373,15 Kelvin. Så hvis du opvarmer en bestemt massemvand fra stuetemperatur til kogepunkt og derefter fordampe det, er der to trin til beregningen: den nødvendige energi til at bringe den til 100 C, og derefter den nødvendige energi til at fordampe det.

Selvom faseovergangen fra fast til væske (dvs. smeltning) og den fra væske til gas (fordampning) er de mest almindeligt forekommende, er der mange andre overgange, der kan forekomme. I særdeleshed,sublimeringer, når et stof gennemgår en faseovergang fra en fast fase direkte til en gasformig fase.

Det mest kendte eksempel på denne adfærd er i tøris, som faktisk er fast kuldioxid. Ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk sublimerer det direkte i kuldioxidgas, og dette gør det til et almindeligt valg for teatralske tågeeffekter.

Det modsatte af sublimering eraflejring, hvor en gas gennemgår en tilstandsændring direkte til et fast stof. Dette er en anden type faseovergang, der er mindre almindeligt diskuteret, men stadig forekommer i naturen.

Trykket har stor indflydelse på temperaturen, ved hvilken faseovergange opstår. Ved et højere tryk er fordampningspunktet højere, og det reduceres ved lavere tryk. Dette er grunden til, at vand koger ved en lavere temperatur, når du er højere i højden, fordi trykket er lavere, og kogepunktet derfor også er. Dette forhold demonstreres normalt i et fasediagram, der har akser for temperatur og tryk, og linjer, der adskiller de faste, flydende og gasfaser for det pågældende stof.

Hvis du ser nøje på et fasediagram, vil du bemærke, at der er et specifikt punkt, hvor stoffet er i skæringspunktet mellem alle tre hovedfaser (dvs. gas-, væske- og fastfasen). Dette kaldestredobbelt punkt, eller det kritiske punkt for stoffet, og det forekommer ved en bestemt kritisk temperatur og et kritisk tryk.

Den fjerde tilstand af stof er plasma. Dette er lidt anderledes end de andre tilstande af materie, fordi det teknisk set er en gas, der er blevet ioniseret (dvs. hvis elektroner blev fjernet så de grundlæggende atomer har en nettoladning), og så har den ikke en faseovergang på samme måde som de andre stater i stof.

Dens adfærd adskiller sig dog meget fra en typisk gas, for selvom den kan betragtes som elektrisk ”kvasi-neutral” (fordi der er lige mange protoner og elektroner ihelplasma), er der lommer med koncentreret ladning og resulterende strømme. Plasmer reagerer også på elektriske og magnetiske felter på en måde, som en typisk gas ikke ville.

En af de mest kendte måder at beskrive overgange mellem forskellige faser er Ehrenfest klassificeringssystemet, der opdeler overgange i førsteordens og andenordens faseovergange, og det moderne system er stærkt baseret på det her. "Ordenen" for overgangen henviser til den laveste ordens afledte af den termodynamiske frie energi, der viser en diskontinuitet. For eksempel er overgangene mellem faste stoffer, væsker og gasser førsteordens faseovergange, fordi den latente varme skaber en diskontinuitet i det frie energiafledte.

En anden ordens faseovergang har en diskontinuitet i det andet afledte af den frie energi, men der er ingen latent varme involveret i processen, så de betragtes som kontinuerlig fase overgange. Eksempler inkluderer overgangen til superledningsevne (dvs. det punkt, hvor noget bliver en superleder) og den ferromagnetiske faseovergang (som beskrevet af Ising-modellen).

Landau teori bruges til at beskrive et systems opførsel, især omkring et kritisk punkt. Generelt er der symmetribrud ved faseovergangstemperaturen, og dette er især nyttigt ved beskriver overgange i flydende krystaller, hvor fasen med høj temperatur indeholder flere symmetrier end den lave temperatur fase.

Lad os antage, at du har en 1 kg isblok ved 0 ° C og vil smelte isen og hæve temperaturen til 20 ° C, lidt over standard stuetemperatur. Som nævnt tidligere er der to dele til enhver beregning som denne: Du skal beregne fasen ændre, og brug derefter den sædvanlige tilgang til at beregne den nødvendige energi til at hæve temperaturen med det angivne beløb.

Den latente fusionsvarme for vandis er 334 kJ / kg, så ved hjælp af ligningen fra tidligere:

Så smeltende is, specifikt 1 kg, tager 334 kilojoules energi. Selvfølgelig, hvis du arbejdede med en større eller mindre ismængde, ville 1 kg simpelthen erstattes af den passende værdi.

Når denne energi nu er overført til isen, vil den have skiftet fasemenstadig være ved 0 ° C i temperatur. For at beregne den mængde varme, du skal tilføje for at hæve temperaturen til 20 ° C, skal du blot slå op på den specifikke varmekapacitet for vand (C= 4.182 J / kg ° C) og brug standardudtrykket:

Hvor ∆Tstår for temperaturændringen. Dette er let at træne med de oplysninger, vi har: Ændringen i den nødvendige temperatur er 20 C, så resten af ​​processen er simpelthen at indsætte værdierne og beregne:

Hele processen (dvs. smeltning af isen og opvarmning af vandet) kræver derfor:

Så det meste af energien kommer fra smelteprocessen snarere end opvarmningen. Bemærk, at denne beregning kun fungerede, fordi enhederne var ensartede igennem - massen var altid i kg, og energien blev konverteret til kJ til den sidste tilføjelse - og du bør altid kontrollere dette, før du prøver et beregning.

Forestil dig nu, at du tager 1 kg vand ved 20 ° C fra det sidste eksempel og vil omdanne det til vanddamp. Prøv at løse dette problem, inden du læser videre, fordi processen stort set er den samme som før. Først skal du beregne den mængde varmeenergi, der kræves for at bringe vandet til kogepunktet, og derefter kan du fortsætte med at finde ud af, hvor meget ekstra energi der er behov for for at fordampe vandet.

Den første fase er ligesom den anden fase i det foregående eksempel, undtagen nu ∆T= 80 C, da kogepunktet for flydende vand er 100 C. Så ved at bruge den samme ligning giver:

Fra det punkt, hvor så meget energi er blevet tilføjet, vil resten af ​​energien gå i fordampning af væsken, og du bliver nødt til at beregne den ved hjælp af det andet udtryk. Dette er:

HvorL​_v = 2256 kJ / kg for flydende vand. Hvis du bemærker, at der er 1 kg vand i dette eksempel, kan du beregne:

Tilføjelse af begge dele af processen giver den samlede varme, der kræves:

Bemærk igen, at langt størstedelen af ​​den varmeenergi, der bruges i denne proces (som ved issmeltning), er i faseovergangen, ikke det almindelige opvarmningstrin.