Μεταβάσεις φάσης: Τύποι, ταξινομήσεις, ιδιότητες και παραδείγματα (με διάγραμμα)

Ο καθένας έχει μια ανάμνηση από όταν ήταν παιδί και είχε λιώσει το παγωτό απροσδόκητα (και ανεπιθύμητα). Ίσως βρισκόσασταν στην παραλία, προσπαθώντας να συνεχίσετε με τα ρεύματα λειωμένου παγωτού που τρέχουν στα δάχτυλά σας, αλλά τότε ολόκληρη η κουταλιά έπεσε στην άμμο. Ίσως άφησες ένα σκάφος έξω στον ήλιο και επέστρεψες σε μια λαμπερή λακκούβα με ζαχαρούχο νερό. Όποια και αν είναι η εμπειρία σας, οι περισσότεροι άνθρωποι έχουν κάποια ξεκάθαρη μνήμη για κάτι στοστερεά φάσημετάβαση στουγρή φάση, και οι συνέπειες αυτής της αλλαγής.

Φυσικά, οι φυσικοί έχουν συγκεκριμένη γλώσσα για να περιγράψουν αυτές τις αλλαγές φάσης μεταξύ διαφορετικών καταστάσεων ύλης. Δεν πρέπει να αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι οι διαφορετικές φυσικές ιδιότητες των υλικών διέπουν τον τρόπο συμπεριφοράς τους, συμπεριλαμβανομένων των θερμοκρασιών στις οποίες υφίστανται αλλαγές φάσης. Μαθαίνοντας πώς υπολογίζετε την ενέργεια που καταναλώνεται σε αυτές τις αλλαγές φάσης και λίγο για το σχετικό φυσικό Οι ιδιότητες είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση όλων, από την τήξη του πάγου έως τις πιο ασυνήθιστες διαδικασίες όπως εξάχνιση.

Οι περισσότεροι άνθρωποι είναι εξοικειωμένοι με τις τρεις κύριες φάσεις της ύλης: στερεά, υγρά και αέρια. Ωστόσο, υπάρχει επίσης μια τέταρτη κατάσταση ύλης που ονομάζεται πλάσμα, η οποία θα περιγραφεί σύντομα αργότερα σε αυτό το άρθρο. Τα στερεά είναι τα πιο εύκολα κατανοητά. η ύλη σε στερεά κατάσταση διατηρεί το σχήμα της και δεν συμπιέζεται σε αξιοσημείωτο βαθμό.

Χρησιμοποιώντας το νερό ως παράδειγμα, ο πάγος είναι η στερεά κατάσταση και είναι διαισθητικά σαφές ότι ο πάγος θα σπάσει μπροστά σας μπόρεσαν να το συμπιέσουν σε μικρότερο όγκο, και ακόμη και τότε ο σπασμένος πάγος θα εξακολουθούσε να παίρνει το ίδιο Ενταση ΗΧΟΥ. Μπορείτε επίσης να σκεφτείτε ένα σφουγγάρι ως πιθανό αντίθετο παράδειγμα, αλλά σε αυτήν την περίπτωση, όταν το "συμπιέζετε", είστε πραγματικά απλώς αφαιρώντας όλες τις οπές αέρα που περιέχει στη φυσική του κατάσταση - η πραγματική στερεά ύλη δεν παίρνει συμπιεσμένο.

Τα υγρά έχουν τη μορφή του δοχείου στο οποίο βρίσκονται, αλλά είναι ασυμπίεστα με τον ίδιο τρόπο όπως τα στερεά. Και πάλι, το υγρό νερό είναι το τέλειο παράδειγμα αυτού, επειδή είναι τόσο οικείο: Μπορείτε να βάλετε νερό σε οποιοδήποτε σχήμα δοχείου, αλλά δεν μπορείτε να το συμπιέσετε φυσικά για να καταλάβετε λιγότερο όγκο από ό, τι στο φυσικό του κατάσταση. Αέρια, όπως υδρατμοί, από την άλλη πλευρά, γεμίζουν το σχήμα του δοχείου στο οποίο βρίσκονται αλλά μπορούν να συμπιεστούν.

Η συμπεριφορά του καθενός εξηγείται από την ατομική του δομή. Σε ένα στερεό, υπάρχει μια κανονική διάταξη πλέγματος ατόμων, έτσι σχηματίζει μια κρυσταλλική δομή ή τουλάχιστον μια άμορφη μάζα επειδή τα άτομα είναι σταθερά στη θέση τους. Σε ένα υγρό, τα μόρια ή τα άτομα είναι ελεύθερα να κινούνται αλλά συνδέονται εν μέρει μέσω σύνδεσης υδρογόνου, έτσι ρέει ελεύθερα αλλά έχει κάποιο ιξώδες. Σε ένα αέριο, τα μόρια διαχωρίζονται εντελώς, χωρίς διαμοριακές δυνάμεις να τα διατηρούν μαζί, γι 'αυτό ένα αέριο μπορεί να διογκωθεί και να συμπιέσει πολύ πιο ελεύθερα από τα στερεά ή τα υγρά.

Όταν προσθέτετε θερμότητα σε ένα στερεό, αυξάνει τη θερμοκρασία του μέχρι να φτάσει στο σημείο τήξης του, σε ποιο στάδιο αλλάζουν τα πράγματα. Η θερμική ενέργεια που προσθέτετε όταν βρίσκεστε στο σημείο τήξης δεν αλλάζει τη θερμοκρασία. Παρέχει ενέργεια για τη μετάβαση φάσης από τη στερεά φάση στην υγρή φάση, που συνήθως ονομάζεται τήξη.

Η εξίσωση που περιγράφει τη διαδικασία τήξης είναι:

Οπουμεγάλο​_φά είναι η λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης για το υλικό,Μείναι η μάζα της ουσίας καιΕρείναι η θερμότητα που προστίθεται. Όπως δείχνει η εξίσωση, οι μονάδες λανθάνουσας θερμότητας είναι ενέργεια / μάζα, ή joules ανά kg, g ή άλλο μέτρο μάζας. Η λανθάνουσα θερμότητα της σύντηξης ονομάζεται μερικές φορές η ενθαλπία της σύντηξης ή μερικές φορές η λανθάνουσα θερμότητα τήξης.

Για οποιαδήποτε συγκεκριμένη ουσία - για παράδειγμα, αν κοιτάζετε συγκεκριμένα την τήξη του πάγου - υπάρχει μια συγκεκριμένη θερμοκρασία μετάβασης στην οποία συμβαίνει αυτό. Για την τήξη του πάγου σε υγρό νερό, η θερμοκρασία μετάβασης φάσης είναι 0 βαθμοί Κελσίου ή 273,15 Κέλβιν. Μπορείτε να αναζητήσετε τη λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης για πολλά κοινά υλικά στο διαδίκτυο (βλ. Πόροι), αλλά για τον πάγο είναι 334 kJ / kg.

Η ίδια διαδικασία με την τήξη συμβαίνει όταν εξατμίζετε μια ουσία, εκτός από το ότι η θερμοκρασία στην οποία πραγματοποιείται η μετάβαση φάσης είναι το σημείο βρασμού της ουσίας. Με τον ίδιο τρόπο, ωστόσο, η επιπλέον ενέργεια που δίνετε στην ουσία σε αυτό το σημείο πηγαίνει στη μετάβαση φάσης, στην περίπτωση αυτή από την υγρή φάση στην αέρια φάση. Ο όρος που χρησιμοποιείται εδώ είναι η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης (ή η ενθαλπία εξάτμισης), αλλά η ιδέα είναι ακριβώς η ίδια με εκείνη της λανθάνουσας θερμότητας σύντηξης.

Η εξίσωση έχει επίσης την ίδια μορφή:

Οπουμεγάλο​_β αυτή τη φορά είναι η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης (βλ. Πόροι για έναν πίνακα τιμών για κοινά υλικά). Και πάλι, υπάρχει μια ειδική θερμοκρασία μετάβασης για κάθε ουσία, με το υγρό νερό να υφίσταται αυτή τη μετάβαση στους 100 C ή 373,15 Kelvin. Έτσι, εάν θερμαίνετε μια συγκεκριμένη μάζαΜνερού από τη θερμοκρασία δωματίου έως το σημείο βρασμού και μετά την εξάτμισή του, υπάρχουν δύο στάδια ο υπολογισμός: η ενέργεια που απαιτείται για να φθάσει στους 100 C, και στη συνέχεια η ενέργεια που απαιτείται για την εξάτμιση το.

Αν και η φάση μετάβασης από στερεό σε υγρό (δηλαδή τήξη) και αυτή από υγρό σε αέριο (εξάτμιση) είναι οι πιο συχνά συναντούμενες, υπάρχουν πολλές άλλες μεταβάσεις που μπορούν να συμβούν. Συγκεκριμένα,εξάχνισηείναι όταν μια ουσία υφίσταται μετάβαση φάσης από μια στερεά φάση απευθείας σε αέρια φάση.

Το πιο γνωστό παράδειγμα αυτής της συμπεριφοράς είναι ο ξηρός πάγος, ο οποίος είναι στην πραγματικότητα στερεό διοξείδιο του άνθρακα. Σε θερμοκρασία δωματίου και ατμοσφαιρική πίεση, εξαλείφεται απευθείας σε αέριο διοξείδιο του άνθρακα, και αυτό το καθιστά κοινή επιλογή για τα θεατρικά εφέ ομίχλης.

Το αντίθετο της εξάχνωσης είναικατάθεση, όπου ένα αέριο υφίσταται κατάσταση αλλάζει απευθείας σε στερεό. Αυτός είναι ένας άλλος τύπος φάσης μετάβασης που συζητείται λιγότερο συχνά αλλά εξακολουθεί να εμφανίζεται στη φύση.

Η πίεση έχει μεγάλη επίδραση στη θερμοκρασία στην οποία πραγματοποιούνται μεταβάσεις φάσης. Σε υψηλότερη πίεση, το σημείο εξάτμισης είναι υψηλότερο και μειώνεται σε χαμηλότερες πιέσεις. Αυτός είναι ο λόγος που το νερό βράζει σε χαμηλότερη θερμοκρασία όταν είστε υψηλότερο σε υψόμετρο, επειδή η πίεση είναι χαμηλότερη και επομένως το σημείο βρασμού είναι επίσης. Αυτή η σχέση συνήθως αποδεικνύεται σε ένα διάγραμμα φάσεων, το οποίο έχει άξονες θερμοκρασίας και πίεσης, και γραμμές που διαχωρίζουν τις στερεές, υγρές και αέριες φάσεις για την εν λόγω ουσία.

Εάν κοιτάξετε προσεκτικά ένα διάγραμμα φάσεων, θα παρατηρήσετε ότι υπάρχει ένα συγκεκριμένο σημείο στο οποίο η ουσία βρίσκεται στη διασταύρωση και των τριών κύριων φάσεων (δηλαδή, του αερίου, της υγρής και της στερεάς φάσης). Αυτό ονομάζεται τοτριπλό σημείο, ή το κρίσιμο σημείο για την ουσία, και εμφανίζεται σε μια συγκεκριμένη κρίσιμη θερμοκρασία και μια κρίσιμη πίεση.

Η τέταρτη κατάσταση της ύλης είναι το πλάσμα. Αυτό είναι λίγο διαφορετικό από τις άλλες καταστάσεις της ύλης, επειδή είναι τεχνικά ένα αέριο που έχει ιονιστεί (δηλαδή, είχε αφαιρεθεί ηλεκτρόνια έτσι τα συστατικά άτομα έχουν καθαρό ηλεκτρικό φορτίο), και έτσι δεν έχει μετάβαση φάσης με τον ίδιο τρόπο όπως και οι άλλες καταστάσεις ύλη.

Ωστόσο, η συμπεριφορά του είναι πολύ διαφορετική από ένα τυπικό αέριο, επειδή ενώ μπορεί να θεωρηθεί ηλεκτρικά «σχεδόν ουδέτερο» (επειδή υπάρχουν ίσοι αριθμοί πρωτονίων και ηλεκτρονίων στοολόκληροςπλάσμα), υπάρχουν τσέπες συμπυκνωμένου φορτίου και προκύπτοντα ρεύματα. Τα πλάσματα ανταποκρίνονται επίσης σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία με έναν τρόπο που δεν θα το χρησιμοποιούσε ένα τυπικό αέριο.

Ένας από τους πιο γνωστούς τρόπους για να περιγράψετε μεταβάσεις μεταξύ διαφορετικών φάσεων είναι το σύστημα ταξινόμησης Ehrenfest, που χωρίζει τις μεταβάσεις σε μεταβάσεις φάσης πρώτης τάξης και δεύτερης τάξης και βασίζεται έντονα στο σύγχρονο σύστημα Αυτό. Η «τάξη» της μετάβασης αναφέρεται στο παράγωγο χαμηλότερης τάξης της θερμοδυναμικής ελεύθερης ενέργειας που δείχνει ασυνέχεια. Για παράδειγμα, οι μεταβάσεις μεταξύ στερεών, υγρών και αερίων είναι μεταβάσεις φάσης πρώτης τάξης επειδή η λανθάνουσα θερμότητα δημιουργεί ασυνέχεια στο παράγωγο ελεύθερης ενέργειας.

Η μετάβαση φάσης δεύτερης τάξης έχει ασυνέχεια στο δεύτερο παράγωγο της ελεύθερης ενέργειας, αλλά δεν υπάρχει λανθάνουσα θερμότητα στη διαδικασία, επομένως θεωρούνται συνεχής φάση μεταβάσεις. Παραδείγματα περιλαμβάνουν τη μετάβαση σε υπεραγωγιμότητα (δηλαδή το σημείο στο οποίο κάτι γίνεται υπεραγωγός) και τη μετάβαση σιδηρομαγνητικής φάσης (όπως περιγράφεται από το μοντέλο Ising).

Η θεωρία Landau χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη συμπεριφορά ενός συστήματος, ιδιαίτερα γύρω από ένα κρίσιμο σημείο. Σε γενικές γραμμές, υπάρχει διακοπή συμμετρίας στη θερμοκρασία μετάβασης φάσης, και αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο στο περιγράφει μεταβάσεις σε υγρούς κρυστάλλους, με τη φάση υψηλής θερμοκρασίας να περιέχει περισσότερες συμμετρίες από τη χαμηλή θερμοκρασία φάση.

Ας υποθέσουμε ότι έχετε 1 κιλό πάγου στους 0 ° C και θέλετε να λιώσετε τον πάγο και να αυξήσετε τη θερμοκρασία στους 20 C, λίγο πάνω από την τυπική θερμοκρασία δωματίου. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, υπάρχουν δύο μέρη σε οποιονδήποτε υπολογισμό όπως αυτό: Πρέπει να υπολογίσετε τη φάση αλλάξτε και, στη συνέχεια, χρησιμοποιήστε τη συνήθη προσέγγιση για να υπολογίσετε την ενέργεια που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας από το καθορισμένο ποσό.

Η λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης για πάγο νερού είναι 334 kJ / kg, οπότε χρησιμοποιώντας την εξίσωση από νωρίτερα:

Έτσι, ο λιώσιμος πάγος, 1 κιλό, παίρνει 334 κιλά ενέργειας. Φυσικά, εάν εργαζόσασταν με μεγαλύτερη ή μικρότερη ποσότητα πάγου, το 1 κιλό θα αντικαταστάθηκε απλώς από την κατάλληλη τιμή.

Τώρα, όταν αυτή η ενέργεια έχει μεταφερθεί στον πάγο, θα έχει αλλάξει φάσηαλλάνα είναι ακόμη σε 0 C σε θερμοκρασία. Για να υπολογίσετε την ποσότητα θερμότητας που πρέπει να προσθέσετε για να αυξήσετε τη θερμοκρασία στους 20 C, απλώς πρέπει να αναζητήσετε τη συγκεκριμένη θερμική ικανότητα του νερού (ντο= 4,182 J / kg ° C) και χρησιμοποιήστε την τυπική έκφραση:

Όπου ΔΤσημαίνει την αλλαγή της θερμοκρασίας. Αυτό είναι εύκολο να επιλυθεί με τις πληροφορίες που έχουμε: Η αλλαγή της θερμοκρασίας που απαιτείται είναι 20 C, οπότε το υπόλοιπο της διαδικασίας είναι απλά η εισαγωγή των τιμών και ο υπολογισμός:

Η όλη διαδικασία (δηλαδή, τήξη του πάγου και θέρμανση του νερού) συνεπώς απαιτεί:

Έτσι, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας προέρχεται από τη διαδικασία τήξης, παρά από τη θέρμανση. Σημειώστε ότι αυτός ο υπολογισμός λειτούργησε μόνο επειδή οι μονάδες ήταν συνεπείς σε όλη - η μάζα ήταν πάντα σε kg και η ενέργεια μετατράπηκε σε kJ για την τελική προσθήκη - και πρέπει πάντα να το ελέγχετε πριν επιχειρήσετε ένα υπολογισμός.

Τώρα φανταστείτε ότι παίρνετε το 1 κιλό νερό στους 20 C από το τελευταίο παράδειγμα και θέλετε να το μετατρέψετε σε υδρατμούς. Προσπαθήστε να λύσετε αυτό το πρόβλημα προτού διαβάσετε, γιατί η διαδικασία είναι ουσιαστικά η ίδια όπως και πριν. Πρώτα, πρέπει να υπολογίσετε την ποσότητα θερμικής ενέργειας που απαιτείται για να φέρετε το νερό στο σημείο βρασμού και, στη συνέχεια, μπορείτε να συνεχίσετε και να επεξεργαστείτε πόση επιπλέον ενέργεια απαιτείται για την εξάτμιση του νερού.

Το πρώτο στάδιο είναι ακριβώς όπως το δεύτερο στάδιο του προηγούμενου παραδείγματος, εκτός από το ΔΤ= 80 C, αφού το σημείο βρασμού του υγρού νερού είναι 100 C. Έτσι, χρησιμοποιώντας την ίδια εξίσωση δίνει:

Από το σημείο που έχει προστεθεί αυτή η πολλή ενέργεια, το υπόλοιπο της ενέργειας θα εξατμιστεί το υγρό και θα πρέπει να το υπολογίσετε χρησιμοποιώντας την άλλη έκφραση. Αυτό είναι:

Οπουμεγάλο​_β = 2256 kJ / kg για υγρό νερό. Σημειώνοντας ότι υπάρχει 1 κιλό νερό σε αυτό το παράδειγμα, μπορείτε να υπολογίσετε:

Η προσθήκη και των δύο τμημάτων της διαδικασίας μαζί δίνει τη συνολική θερμότητα που απαιτείται:

Σημειώστε και πάλι ότι η συντριπτική πλειοψηφία της θερμικής ενέργειας που χρησιμοποιείται σε αυτήν τη διαδικασία (όπως με το λιώσιμο του πάγου) βρίσκεται στη φάση μετάβασης, όχι στο συνηθισμένο στάδιο θέρμανσης.