Vaihesiirtymät: tyypit, luokitukset, ominaisuudet ja esimerkit (w / kaavio)

Jokaisella on muisto lapsuudestaan ​​lähtien ja jäätelö suli odottamattomasti (ja epätoivottavasti). Ehkä olit rannalla ja yritit pysyä mukana sulan jäätelövirroissa, jotka juoksevat sormillasi, mutta sitten koko kauha putosi hiekkaan. Ehkä jätit popsiclein ulos auringosta liian kauan ja palasit takaisin vaaleanväriseen sokeriveden lätkään. Riippumatta kokemuksestasi, useimmilla ihmisillä on selkeä muisti jostakinkiinteä faasisiirtyminennestefaasija muutoksen seuraukset.

Fyysikoilla on tietysti erityinen kieli kuvaamaan näitä vaihemuutoksia aineen eri tilojen välillä. Ei pitäisi olla yllätys, että materiaalien erilaiset fysikaaliset ominaisuudet säätelevät niiden käyttäytymistä, mukaan lukien lämpötilat, joissa ne muuttuvat. Oppiminen kuinka lasket kuluvan energian tässä vaihemuutoksessa ja vähän asiaankuuluvasta fyysisestä ominaisuudet ovat ratkaisevan tärkeitä kaiken ymmärtämiseksi jään sulamisesta epätavallisempiin prosesseihin, kuten sublimaatio.

Useimmat ihmiset tuntevat aineen kolme päävaihetta: kiinteä, nestemäinen ja kaasu. Kuitenkin on myös neljäs aineen tila, jota kutsutaan plasmaksi, jota kuvataan lyhyesti myöhemmin tässä artikkelissa. Kiinteät aineet on helpoin ymmärtää; kiinteässä tilassa oleva aine säilyttää muotonsa eikä sitä voida puristaa huomattavassa määrin.

Veden esimerkkinä jää on kiinteä tila, ja on intuitiivisesti selvää, että jää rikkoutuisi ennen sinua pystyivät puristamaan sen pienempään tilanteeseen, ja silloinkin rikkoutunut jää vie edelleen saman äänenvoimakkuus. Saatat ajatella myös, että sieni on mahdollinen vasta-esimerkki, mutta siinä tapauksessa, kun "puristat" sitä, olet todella vain poistamalla kaikki sen luonnollisessa tilassa olevat ilmareiät - todellinen kiinteä aine ei pääse pakattu.

Nesteet ottavat astian muodon, jossa ne ovat, mutta ne ovat pakkaamattomia samalla tavalla kuin kiinteät aineet. Jälleen nestemäinen vesi on täydellinen esimerkki tästä, koska se on niin tuttua: Voit laittaa vettä mihin tahansa astian muotoinen, mutta et voi pakata sitä fyysisesti viemään vähemmän tilaa kuin se luonnollisessa muodossaan osavaltio. Toisaalta kaasut, kuten vesihöyry, täyttävät astian muodon, johon ne ovat, mutta ne voidaan puristaa.

Jokaisen käyttäytyminen selitetään sen atomirakenteella. Kiinteässä aineessa on säännöllinen hilajärjestely atomeista, joten se muodostaa kiderakenteen tai ainakin amorfisen massan, koska atomit ovat kiinteästi paikallaan. Nesteessä molekyylit tai atomit voivat liikkua vapaasti, mutta ovat osittain yhteydessä vetysidoksen kautta, joten se virtaa vapaasti, mutta sillä on jonkin verran viskositeettia. Kaasussa molekyylit erotetaan kokonaan ilman molekyylien välisiä voimia, jotka pitävät niitä yhdessä, minkä vuoksi kaasu voi laajentua ja puristua paljon vapaammin kuin joko kiinteät aineet tai nesteet.

Kun lisäät lämpöä kiinteään aineeseen, se nostaa lämpötilaa, kunnes se saavuttaa sulamispisteen, jolloin asiat muuttuvat. Lämpöenergia, jonka lisäät sulamispisteessä, ei muuta lämpötilaa; se tarjoaa energiaa vaihesiirrolle kiinteästä faasista nestefaasiin, jota kutsutaan yleisesti sulamiseksi.

Sulamisprosessia kuvaava yhtälö on:

MissäL​_f on materiaalin piilevä fuusiolämpö,mon aineen massa jaQon lisätty lämpö. Kuten yhtälö osoittaa, piilevän lämmön yksiköt ovat energia / massa tai joulea / kg, g tai muu massamitta. Piilevää fuusiolämpöä kutsutaan joskus fuusion entalpiaksi tai joskus vain piileväksi sulamislämmöksi.

Minkä tahansa tietyn aineen kohdalla - esimerkiksi jos tarkastelet nimenomaan jään sulamista - on olemassa tietty siirtymälämpötila, jossa tämä tapahtuu. Jää sulattaessa nestemäiseen veteen vaihesiirtymälämpötila on 0 astetta tai 273,15 kelviniä. Voit etsiä piilevän fuusiolämmön monista tavallisista materiaaleista verkossa (katso Resurssit), mutta jään osalta se on 334 kJ / kg.

Sama prosessi kuin sulatuksessa tapahtuu, kun höyrystetään ainetta, paitsi että lämpötila, jossa faasimuutos tapahtuu, on aineen kiehumispiste. Samalla tavalla aineelle tässä vaiheessa antamasi lisäenergia siirtyy kuitenkin vaihesiirtymään, tässä tapauksessa nestefaasista kaasufaasiin. Tässä käytetty termi on piilevä höyrystyslämpö (tai höyrystymisen entalpia), mutta käsite on täsmälleen sama kuin piilevän fuusiolämmön tapauksessa.

Yhtälöllä on myös sama muoto:

MissäL​_v tämä aika on piilevä höyrystyslämpö (katso Resurssit yleisten materiaalien arvotaulukolle). Jälleen jokaiselle aineelle on erityinen siirtymälämpötila, jolloin nestemäinen vesi käy läpi tämän muutoksen 100 C: ssa tai 373,15 Kelvinissä. Joten jos lämmität tiettyä massaamvettä huoneenlämpötilasta kiehumispisteeseen ja sitten haihduttamalla se, on kaksi vaihetta laskenta: energia, joka tarvitaan sen saattamiseksi 100 ° C: seen, ja sitten energia, joka tarvitaan höyrystymiseen se.

Vaikka faasimuutos kiinteästä nestemäiseen (ts. Sulaminen) ja nestemäisestä kaasuun (höyrystyminen) esiintyy yleisimmin, voi tapahtua monia muita siirtymiä. Erityisesti,sublimaatioon aineen faasimuutos kiinteästä faasista suoraan kaasumaiseen faasiin.

Tunnetuin esimerkki tästä käyttäytymisestä on kuivajäässä, joka on itse asiassa kiinteää hiilidioksidia. Huoneen lämpötilassa ja ilmanpaineessa se sublimoituu suoraan hiilidioksidikaasuksi, mikä tekee siitä yleisen valinnan teatterisumuihin.

Sublimaation vastakohta onlaskeuma, jossa kaasun tila muuttuu suoraan kiinteäksi aineeksi. Tämä on toisen tyyppinen vaihesiirtymä, josta keskustellaan harvemmin, mutta joka silti tapahtuu luonnossa.

Paineella on suuri vaikutus lämpötilaan, jossa vaihesiirtymät tapahtuvat. Suuremmalla paineella höyrystymispiste on korkeampi ja se pienenee alhaisemmissa paineissa. Siksi vesi kiehuu alhaisemmassa lämpötilassa, kun olet korkeammalla, koska paine on matalampi ja siksi myös kiehumispiste on. Tämä suhde osoitetaan yleensä vaihekaaviossa, jossa on lämpötilan ja paineen akselit sekä linjat, jotka erottavat kiinteän, nestemäisen ja kaasun faasit kyseessä olevalle aineelle.

Jos tarkastelet tarkasti vaihekaaviota, huomaat, että on olemassa tietty piste, jossa aine on kaikkien kolmen päävaiheen (ts. Kaasu-, neste- ja kiinteäfaasi) leikkauspisteessä. Tätä kutsutaankolminkertainen pistetai aineelle kriittinen piste, ja se tapahtuu tietyssä kriittisessä lämpötilassa ja kriittisessä paineessa.

Aineen neljäs tila on plasma. Tämä eroaa hieman muista aineen tiloista, koska se on teknisesti ionisoitua kaasua (ts. Jos elektronit poistettiin) joten muodostavilla atomeilla on nettosähkövaraus), joten siinä ei ole vaihesiirtymistä samalla tavalla kuin muilla asia.

Sen käyttäytyminen on kuitenkin hyvin erilainen kuin tyypillisessä kaasussa, koska vaikka sitä voidaan pitää sähköisesti "lähes neutraalina" (koska protoneja ja elektroneja on yhtä paljonkokoplasma), on tasoitettuja varauksia ja tuloksena olevia virtoja. Plasmat reagoivat myös sähkö- ja magneettikenttiin tavallisella kaasulla.

Yksi tunnetuimmista tavoista kuvata siirtymiä eri vaiheiden välillä on Ehrenfest-luokitusjärjestelmä, joka jakaa siirtymät ensimmäisen ja toisen asteen vaihesiirtymiksi, ja moderni järjestelmä perustuu vahvasti siihen Tämä. Siirtymän "järjestys" viittaa termodynaamisen vapaan energian matalimman asteen johdannaiseen, jolla on epäjatkuvuus. Esimerkiksi kiintoaineiden, nesteiden ja kaasujen väliset siirtymät ovat ensimmäisen asteen vaihesiirtymiä, koska piilevä lämpö luo epäjatkuvuuden vapaan energian johdannaiselle.

Toisen kertaluvun vaihesiirtymällä on epäjatkuvuus vapaan energian toisessa johdannaisessa, mutta prosessissa ei ole piilevää lämpöä, joten niitä pidetään jatkuvana vaiheena siirtymät. Esimerkkejä ovat siirtyminen suprajohtavuuteen (eli piste, jossa jostakin tulee suprajohde) ja ferromagneettinen vaihesiirtymä (kuten Ising-malli kuvaa).

Landau-teoriaa käytetään kuvaamaan järjestelmän käyttäytymistä, erityisesti kriittisen pisteen ympärillä. Yleisesti ottaen symmetria rikkoutuu vaihesiirtymälämpötilassa, ja tämä on erityisen hyödyllistä kuvataan siirtymiä nestekiteissä siten, että korkean lämpötilan vaihe sisältää enemmän symmetrioita kuin matala lämpötila vaihe.

Oletetaan, että sinulla on 1 kg jääpalaa 0 C: ssa, ja haluat sulattaa jään ja nostaa lämpötilan 20 ° C: seen, hieman yli normaalin huonelämpötilan. Kuten aiemmin mainittiin, kaikilla tällaisilla laskelmilla on kaksi osaa: Sinun on laskettava vaihe vaihda ja käytä sitten tavanomaista lähestymistapaa laskeaksesi energian, joka tarvitaan lämpötilan nostamiseen määritetyllä määrä.

Vesijään piilevä fuusiolämpö on 334 kJ / kg, joten käyttämällä aikaisempaa yhtälöä:

Joten jään sulaminen, erityisesti 1 kg, vie 334 kilojoulea energiaa. Tietysti, jos työskentelet suuremman tai pienemmän määrän jäätä, 1 kg korvataan yksinkertaisesti sopivalla arvolla.

Nyt, kun tämä energia on siirretty jäälle, se on muuttanut vaihettamuttaedelleen lämpötilassa 0 ° C. Laskeaksesi lämmön määrän, joka sinun on lisättävä lämpötilan nostamiseksi 20 ° C: seen, sinun tarvitsee vain etsiä veden ominaislämpökapasiteetti (C= 4,182 J / kg ° C) ja käytä standardilauseketta:

Missä ∆Ttarkoittaa lämpötilan muutosta. Tämä on helppo selvittää meillä olevilla tiedoilla: Tarvittava lämpötilan muutos on 20 C, joten prosessin loppuosa yksinkertaisesti lisää arvot ja laskee:

Koko prosessi (eli jään sulattaminen ja veden lämmittäminen) vaatii siis:

Joten suurin osa energiasta tulee sulatusprosessista pikemminkin kuin lämmitys. Huomaa, että tämä laskelma toimi vain, koska yksiköt olivat yhdenmukaiset koko ajan - massa oli aina kilogrammoina ja energia muunnettiin kJ: ksi viimeistä lisäystä varten - ja sinun tulee aina tarkistaa tämä ennen kuin yrität a: ta laskeminen.

Kuvittele nyt, että otat 1 kg vettä 20 ° C: ssa edellisestä esimerkistä ja haluat muuttaa sen vesihöyryksi. Yritä ratkaista tämä ongelma ennen eteenpäin lukemista, koska prosessi on olennaisesti sama kuin aiemmin. Ensin sinun on laskettava tarvittavan lämpöenergian määrä veden saattamiseksi kiehumispisteeseen, ja sitten voit jatkaa ja selvittää, kuinka paljon lisäenergiaa tarvitaan veden höyrystämiseen.

Ensimmäinen vaihe on aivan kuten edellisen esimerkin toinen vaihe, paitsi nyt ∆T= 80 C, koska nestemäisen veden kiehumispiste on 100 C. Joten saman yhtälön käyttö antaa:

Siitä hetkestä, kun niin paljon energiaa on lisätty, loppuosa energiasta menee nesteen höyrystämiseen, ja sinun on laskettava se toisen lausekkeen avulla. Tämä on:

MissäL​_v = 2256 kJ / kg nestemäiselle vedelle. Huomaa, että tässä esimerkissä on 1 kg vettä, voit laskea:

Prosessin molempien osien lisääminen yhteen tuottaa tarvittavan lämmön:

Huomaa jälleen, että valtaosa tässä prosessissa käytetystä lämpöenergiasta (kuten sulavan jään yhteydessä) on vaihesiirtymässä, ei tavallisessa lämmitysvaiheessa.