Kõigil on mälestus sellest ajast, kui nad olid väiksed ja jäätised ootamatult (ja soovimatult) sulasid. Võib-olla olite rannas ja üritasite sammu pidada sõrmedest mööda voolavate sulatatud jäätise voogudega, kuid siis kukkus kogu kühvel liiva alla. Võib-olla jätsite popsikli liiga kaua päikese kätte ja tulite tagasi helendava värvusega suhkruvee lompi. Mis iganes teie kogemus on, on enamikul inimestel mingisugused selged mälestusedtahke faasüleminekvedel faasja selle muudatuse tagajärjed.
Muidugi on füüsikutel konkreetne keel nende faasimuutuste kirjeldamiseks aine erinevate olekute vahel. See ei tohiks olla üllatus, et materjalide erinevad füüsikalised omadused reguleerivad nende käitumist, sealhulgas temperatuure, mille juures nad faasimuutused läbivad. Õppimine, kuidas arvutate nendes faasimuutustes kulutatud energiat, ja natuke teavet asjakohase füüsilise kohta omadused on üliolulised arusaamiseks kõigest alates jää sulamisest kuni ebatavalisemate protsessideni sublimatsioon.
Mateeria faasid
Enamik inimesi tunneb aine kolme peamist faasi: tahke, vedel ja gaasiline. Siiski on olemas ka neljas aine seisund, mida nimetatakse plasmaks, mida kirjeldatakse lühidalt hiljem selles artiklis. Tahkeid aineid on kõige lihtsam mõista; tahkes olekus olev aine hoiab oma kuju ja pole märkimisväärsel määral kokkusurutav.
Vee näitel on jää tahke olek ja on intuitiivselt selge, et jää murduks enne teid suutsid selle väiksemaks mahuks kokku suruda ja ka siis võttis murtud jää ikkagi sama helitugevus. Võite mõelda ka käsnale kui võimalikule vastunäitele, kuid sellisel juhul olete seda "kokku surudes" tõesti lihtsalt eemaldage kõik õhuaugud, mida see oma loomulikus olekus sisaldab - tegelik tahke aine seda ei saa kokkusurutud.
Vedelikud võtavad konteineri kuju, milles nad on, kuid need on kokkusurumatud samamoodi nagu tahked ained. Jällegi on vedelik vesi selle ideaalne näide, sest see on nii tuttav: vett võib lisada ükskõik millisesse mahuti kuju, kuid te ei saa seda füüsiliselt kokku suruda, et see mahutaks vähem mahtu kui loomulikus mahus riik. Gaasid nagu veeaur täidavad aga anuma kuju, milles nad on, kuid neid saab kokku suruda.
Igaühe käitumist seletatakse selle aatomistruktuuriga. Tahkis on aatomite regulaarne võre paigutus, nii et see moodustab kristallstruktuuri või vähemalt amorfse massi, kuna aatomid on paigas. Vedelikus võivad molekulid või aatomid vabalt liikuda, kuid on vesiniksideme kaudu osaliselt ühendatud, mistõttu see voolab vabalt, kuid sellel on teatud viskoossus. Gaasis on molekulid täielikult eraldatud, molekulidevahelised jõud ei hoia neid koos, mistõttu gaas võib paisuda ja kokku suruda palju vabamalt kui tahked ained või vedelikud.
Varjatud termotuumasüntees
Kui lisate tahkele ainele soojust, tõstab see temperatuuri, kuni see jõuab sulamistemperatuurini, millises etapis asjad muutuvad. Soojusenergia, mille lisate, kui olete sulamistemperatuuril, ei muuda temperatuuri; see annab energiat faasi üleminekuks tahkest faasist vedelasse faasi, mida tavaliselt nimetatakse sulatamiseks.
Sulamisprotsessi kirjeldav võrrand on:
Q = ml_f
KusLf on materjali varjatud sulamissoojus,mon aine mass jaQon lisatud soojus. Nagu võrrand näitab, on varjatud soojuse ühikud energia / mass või džaulid kilogrammi, g või muu massi mõõtmise kohta. Varjatud termotuumasoojust nimetatakse mõnikord sulandumise entalpiaks või mõnikord lihtsalt varjatud sulamissoojuseks.
Mis tahes konkreetse aine puhul - näiteks kui vaatate konkreetselt jää sulamist - on olemas konkreetne üleminekutemperatuur, mille juures see toimub. Jää sulatamiseks vedelasse vette on faasisiirde temperatuur 0 kraadi Celsiuse järgi ehk 273,15 kelvinit. Veebis saate otsida paljude levinud materjalide varjatud termotuumasünteesi (vt Ressursid), kuid jää puhul on see 334 kJ / kg.
Varjatud aurustumissoojus
Aine aurustamisel toimub sama protsess nagu sulamisel, välja arvatud see, et faasimuutuse temperatuur on aine keemistemperatuur. Samamoodi läheb aga ainele sellel hetkel antav lisaenergia faasisiirdesse, antud juhul vedelast faasist gaasifaasi. Siin kasutatav mõiste on varjatud aurustumissoojus (või aurustamise entalpia), kuid mõiste on täpselt sama, mis varjatud termotuumasünteesi puhul.
Ka võrrand on samas vormis:
Q = ml_v
KusLv see aeg on varjatud aurustumissoojus (tavaliste materjalide väärtuste tabeli leiate ressurssidest). Jällegi on iga aine jaoks spetsiifiline üleminekutemperatuur, kusjuures selle ülemineku läbib vedel vesi 100 C või 373,15 Kelvini. Nii et kui kuumutate teatud massimtoatemperatuurist keemiseni ja seejärel aurustades, on kaks etappi arvutus: selle 100 ° C-ni viimiseks vajalik energia ja seejärel aurustumiseks vajalik energia seda.
Sublimatsioon
Ehkki faasi üleminek tahkelt vedelale (s.t sulamine) ja vedelalt gaasile (aurustuv) toimub kõige sagedamini, võib esineda ka palju muid üleminekuid. Eriti,sublimatsioonon aine läbimine faasist tahkest faasist otse gaasilisse faasi.
Selle käitumise kõige tuntum näide on kuivjää, mis on tegelikult tahke süsinikdioksiid. Toatemperatuuril ja atmosfäärirõhul sublimeerub see otse süsinikdioksiidgaasiks ja see muudab selle teatriudu efektide jaoks tavaliseks valikuks.
Sublimatsiooni vastand onladestumine, kus gaas läbib olekumuutuse otse tahkeks aineks. See on veel üks faaside ülemineku tüüp, mida arutatakse vähem, kuid mis siiski looduses esineb.
Rõhu mõju faaside üleminekutele
Rõhul on suur mõju faasisiirete temperatuurile. Kõrgemal rõhul on aurustumispunkt kõrgem ja see väheneb madalama rõhu korral. Sellepärast keeb vesi madalamal temperatuuril, kui olete kõrgemal, kuna rõhk on madalam ja seetõttu on ka keemistemperatuur. Seda suhet demonstreeritakse tavaliselt faasiskeemil, millel on temperatuuri ja rõhu teljed ning kõva aine tahke-, vedeliku- ja gaasifaase eraldavad jooned.
Kui vaatate hoolikalt faasiskeemi, märkate, et on olemas konkreetne punkt, kus aine asub kõigi kolme peamise faasi (st gaasi-, vedel- ja tahke faasi) ristumiskohas. Seda nimetataksekolmikpunktvõi aine kriitiline punkt ja see toimub kindlal kriitilisel temperatuuril ja kriitilisel rõhul.
Plasma
Aine neljas olek on plasma. See erineb veidi teistest olekutest, kuna see on tehniliselt gaas, mis on ioniseeritud (s.t. kas elektronid olid eemaldatud) nii et aatomitel on neto elektrilaeng) ja seega pole sellel faasisiiret samamoodi nagu teistel asja.
Selle käitumine erineb siiski tavalisest gaasist, sest kuigi seda võib pidada elektriliselt "peaaegu neutraalseks" (kuna prootoneid ja elektrone ontervikunaplasma), seal on kontsentreeritud laengu ja sellest tulenevate voolude taskud. Plasmad reageerivad ka elektri- ja magnetväljadele viisil, mida tüüpiline gaas seda ei teeks.
Ehrenfesti klassifikatsioon
Üks tuntumaid viise erinevate faaside vaheliste üleminekute kirjeldamiseks on Ehrenfesti klassifitseerimissüsteem, mis jagab üleminekud esimese järgu ja teise järgu faasi üleminekuteks ning kaasaegne süsteem tugineb tugevalt sellele seda. Ülemineku "järjestus" viitab termodünaamilise vaba energia madalaima järgu tuletisele, mis näitab katkestust. Näiteks tahkete ainete, vedelike ja gaaside vahelised üleminekud on esimese järgu faasisiirded, kuna varjatud soojus loob vaba energia derivaadi katkestuse.
Teise järgu faasisiirdel on vaba energia teises tuletises katkestus, kuid protsessis ei ole latentset kuumust, seega peetakse neid pidevaks faasiks üleminekud. Näited hõlmavad üleminekut ülijuhtivusele (s.t punkt, kus miski saab ülijuhiks) ja ferromagnetilist faasisiiret (nagu kirjeldab Isingi mudel).
Landau teooriat kasutatakse süsteemi käitumise kirjeldamiseks, eriti kriitilise punkti ümber. Üldiselt on faasisiirde temperatuuril sümmeetria purunemine ja see on eriti kasulik temperatuuril kirjeldades üleminekuid vedelkristallides, kusjuures kõrge temperatuuri faas sisaldab rohkem sümmeetriaid kui madal temperatuur faas.
Faasisiirete näited: jää sulamine
Oletame, et teil on 1 kg jääplokk 0 ° C juures ja soovite jää sulatada ja temperatuuri tõsta 20 C-ni, pisut üle toatemperatuuri. Nagu varem mainitud, on igal sellisel arvutusel kaks osa: peate arvutama faasi muutke ja seejärel kasutage tavapärase lähenemisviisi abil temperatuuri tõstmiseks vajaliku energia arvutamiseks summa.
Veejää varjatud termotuumasünteesi soojus on 334 kJ / kg, seega kasutades varasemat võrrandit:
\ begin {joondatud} Q & = mL_f \\ & = 1 \ text {kg} × 334 \ text {kJ / kg} \\ & = 334 \ text {kJ} \ end {joondatud}
Nii et jää sulamine, konkreetselt 1 kg, võtab energiat 334 kilodžauli ulatuses. Muidugi, kui töötate suurema või väiksema koguse jääga, asendatakse 1 kg lihtsalt sobiva väärtusega.
Nüüd, kui see energia on jääle üle kantud, on see muutunud faasiksagaikka temperatuuril 0 ° C. Temperatuuri tõstmiseks 20 C-ni lisamiseks vajaliku soojushulga arvutamiseks peate lihtsalt otsima vee erisoojusvõimsust (C= 4,182 J / kg ° C) ja kasutage standardväljendit:
Q = mC∆T
Kus ∆Ttähistab temperatuuri muutust. Olemasoleva teabega on seda lihtne välja töötada: Vajalik temperatuuri muutus on 20 C, nii et protsessi ülejäänud osa on lihtsalt väärtuste sisestamine ja arvutamine:
\ begin {joondatud} Q & = mC∆T \\ & = 1 \ text {kg} × 4182 \ text {J / kg ° C} × 20 \ text {° C} \\ & = 83,640 \ text {J} = 83,64 \ text {kJ} \ end {joondatud}
Kogu protsess (st jää sulatamine ja vee soojendamine) nõuab seetõttu:
334 \ text {kJ} + 83.64 \ text {kJ} = 417.64 \ text {kJ}
Nii et suurem osa energiast tuleb sulatamisest, mitte kuumutamisest. Pange tähele, et see arvutus töötas ainult seetõttu, et ühikud olid kogu ulatuses ühtsed - mass oli alati kilogrammides ja energia konverteeriti lõplikuks liitmiseks kJ-ks - ja enne a proovimist peate seda alati kontrollima arvutus.
Faasisiirete näited: vedel vee aurustamine
Kujutage nüüd ette, et võtate viimasest näitest 1 kg vett temperatuuril 20 ° C ja soovite selle muuta veeauruks. Enne edasilugemist proovige see probleem lahendada, sest protsess on sisuliselt sama mis varem. Kõigepealt peate arvutama vee keemispunkti viimiseks vajaliku soojusenergia koguse ja seejärel võite jätkata ja välja töötada, kui palju vee aurustamiseks on vaja lisaenergiat.
Esimene etapp on täpselt nagu eelmise näite teine etapp, välja arvatud nüüd ∆T= 80 C, kuna vedela vee keemistemperatuur on 100 C. Nii et sama võrrandi kasutamine annab:
\ begin {joondatud} Q & = mC∆T \\ & = 1 \ text {kg} × 4182 \ text {J / kg ° C} × 80 \ text {° C} \\ & = 334,560 \ text {J} = 334,56 \ text {kJ} \ end {joondatud}
Alates sellest, kui palju energiat on lisatud, läheb ülejäänud energia vedeliku aurustamiseks ja peate selle arvutama teise avaldise abil. See on:
Q = ml_v
KusLv = 2256 kJ / kg vedelale veele. Pange tähele, et selles näites on 1 kg vett, saate arvutada:
\ begin {joondatud} Q & = 1 \ text {kg} × 2256 \ text {kJ / kg} \\ & = 2256 \ text {kJ} \ end {joondatud}
Protsessi mõlema osa liitmisel saadakse kogu vajalik soojus:
2256 \ text {kJ} + 334.56 \ text {kJ} = 2590.56 \ text {kJ}
Pange tähele veelkord, et valdav osa selles protsessis kasutatavast soojusenergiast (nagu jää sulamisel) on faasisiirdes, mitte tavalises kuumutamisetapis.