Fazni prijelazi: vrste, klasifikacije, svojstva i primjeri (sa dijagramom)

Svatko se sjeća iz vremena kada je bio dijete i neočekivano se (i neželjeno) otopio sladoled. Možda ste bili na plaži i pokušavali držati korak s potocima rastopljenog sladoleda koji vam se slijevaju po prstima, ali onda je cijela kugla pala u pijesak. Možda ste predugo ostavili sladoled na suncu i vratili se u lokvu svijetle boje slatke vode. Bez obzira na vaše iskustvo, većina ljudi ima neko jasno sjećanje na nešto učvrsta fazaprelazeći natekuća faza, i posljedice te promjene.

Naravno, fizičari imaju specifičan jezik za opisivanje tih faznih promjena između različitih stanja materije. Ne bi trebalo iznenaditi da različita fizička svojstva materijala upravljaju njihovim ponašanjem, uključujući temperature na kojima se podvrgavaju faznim promjenama. Učenje kako izračunavate potrošnju energije u tim faznim promjenama i malo o relevantnim fizičkim svojstva su presudna za razumijevanje svega, od otapanja leda do neobičnijih procesa poput sublimacija.

Većini ljudi su poznate tri glavne faze materije: kruta, tekuća i plinska. Međutim, postoji i četvrto stanje materije zvano plazma, koje će biti kratko opisano kasnije u ovom članku. Čvrste tvari je najlakše razumjeti; tvar u čvrstom stanju zadržava svoj oblik i nije stisljiva u značajnom stupnju.

Koristeći vodu kao primjer, led je čvrsto stanje i intuitivno je jasno da bi se led probio prije vas bili u stanju stisnuti ga u manji volumen, pa čak i tada bi slomljeni led i dalje zauzimao isto volumen. Možda biste i spužvu smatrali mogućim protu-primjerom, ali u tom slučaju, kad je "stisnete", stvarno ste samo uklanjanjem svih zračnih rupa koje sadrži u svom prirodnom stanju - stvarna kruta tvar ne dolazi stisnut.

Tekućine imaju oblik posude u kojoj se nalaze, ali su nestisljive na isti način kao i krute tvari. Opet, tekuća voda je savršen primjer za to jer je tako poznata: vodu možete staviti u bilo koju oblika spremnika, ali ne možete ga fizički stisnuti da zauzme manje volumena nego što je to prirodno država. Plini poput vodene pare ispunjavaju oblik posude u kojoj se nalaze, ali se mogu stlačiti.

Ponašanje svakog objašnjava se njegovom atomskom strukturom. U krutini postoji pravilni rešetkasti raspored atoma, pa on tvori kristalnu strukturu ili barem amorfnu masu jer su atomi učvršćeni na svom mjestu. U tekućini se molekule ili atomi mogu slobodno kretati, ali su djelomično povezani vodikovom vezom, pa ona slobodno teče, ali ima određenu viskoznost. U plinu su molekule potpuno odvojene, bez intermolekularnih sila koje ih drže na okupu, zbog čega se plin može širiti i komprimirati puno slobodnije od krutina ili tekućina.

Kada krutini dodate toplinu, ona joj povećava temperaturu dok ne dosegne točku topljenja, u kojoj se stvari mijenjaju. Toplinska energija koju dodate kad ste na točki topljenja ne mijenja temperaturu; osigurava energiju za fazni prijelaz iz čvrste faze u tekuću, koja se obično naziva topljenjem.

Jednadžba koja opisuje postupak topljenja je:

GdjeL​_f latentna toplina topljenja materijala,mje masa tvari iPje dodana toplina. Kao što pokazuje jednadžba, jedinice latentne topline su energija / masa, ili džula po kg, g ili druga mjera mase. Latentna toplina fuzije ponekad se naziva entalpija fuzije, ili ponekad samo latentna toplina topljenja.

Za bilo koju određenu tvar - na primjer, ako posebno gledate otapanje leda - postoji određena temperatura prijelaza pri kojoj se to događa. Za topljenje leda u tekuću vodu, temperatura faznog prijelaza je 0 stupnjeva Celzijusa ili 273,15 Kelvina. Na internetu možete potražiti latentnu toplinu fuzije za mnoge uobičajene materijale (vidi Resurse), ali za led je to 334 kJ / kg.

Isti postupak kao i za topljenje događa se kada ispariš tvar, osim što je temperatura na kojoj se događa fazni prijelaz točka ključanja tvari. Međutim, na isti način, dodatna energija koju tvari dajete u ovom trenutku odlazi u fazni prijelaz, u ovom slučaju iz tekuće u plinsku fazu. Ovdje se koristi izraz latentna toplina isparavanja (ili entalpija isparavanja), ali koncept je potpuno isti kao i za latentnu toplinu fuzije.

Jednadžba također ima isti oblik:

GdjeL​_v ovo vrijeme je latentna toplina isparavanja (pogledajte Resurse za tablicu vrijednosti za uobičajene materijale). Opet, postoji specifična temperatura prijelaza za svaku tvar, s tekućom vodom koja prolazi taj prijelaz na 100 C ili 373,15 Kelvina. Dakle, ako zagrijavate određenu masumvode od sobne temperature do točke vrenja, a zatim isparavanje, postoje dvije faze izračun: energija potrebna da se dovede do 100 C, a zatim energija potrebna da ispari to.

Iako se najčešće susreću fazni prijelaz iz krutog u tekuće (tj. Topljenje) i onaj iz tekućeg u plin (isparavanje), mogu se dogoditi mnogi drugi prijelazi. Posebno,sublimacijaje kada tvar prolazi fazni prijelaz iz čvrste faze izravno u plinovitu fazu.

Najpoznatiji primjer takvog ponašanja je u suhom ledu, koji je zapravo čvrsti ugljični dioksid. Na sobnoj temperaturi i atmosferskom tlaku, sublimira se izravno u plin ugljični dioksid, što ga čini uobičajenim izborom za kazališne efekte magle.

Suprotno od sublimacije jetaloženje, gdje plin prolazi kroz promjenu stanja izravno u krutinu. Ovo je druga vrsta faznog prijelaza o kojoj se rjeđe raspravlja, ali se još uvijek događa u prirodi.

Tlak ima velik utjecaj na temperaturu na kojoj se događaju fazni prijelazi. Pri višem tlaku, točka isparavanja je veća, a smanjuje se pri nižim tlakovima. To je razlog zašto voda ključa na nižoj temperaturi kada ste viši na nadmorskoj visini, jer je tlak niži, a samim tim i točka ključanja. Taj se odnos obično prikazuje na faznom dijagramu koji ima osi temperature i tlaka i vodove koji razdvajaju krutu, tekuću i plinsku fazu za dotičnu tvar.

Ako pažljivo pogledate fazni dijagram, primijetit ćete da postoji određena točka u kojoj se tvar nalazi na sjecištu sve tri glavne faze (tj. Plinske, tekuće i krute faze). To se nazivatrostruka točka, ili kritična točka za tvar, a javlja se pri određenoj kritičnoj temperaturi i kritičnom tlaku.

Četvrto stanje materije je plazma. To se malo razlikuje od ostalih stanja materije, jer je to tehnički plin koji je ioniziran (tj. Ako su uklonjeni elektroni tako da sastavni atomi imaju neto električni naboj), pa nema fazni prijelaz na isti način kao i druga stanja materija.

Njegovo se ponašanje ipak razlikuje od tipičnog plina, jer iako se električno može smatrati "kvazitutralnim" (jer u vodi postoji jednak broj protona i elektronacijelaplazme), postoje džepovi koncentriranog naboja i rezultirajuće struje. Plazma također reagira na električna i magnetska polja na način na koji to tipični plin ne bi.

Jedan od najpoznatijih načina za opisivanje prijelaza između različitih faza je Ehrenfestov sustav klasifikacije, koja dijeli prijelaze na fazne prijelaze prvog i drugog reda, a moderni sustav snažno se temelji na ovaj. "Red" prijelaza odnosi se na derivat najnižeg reda termodinamičke slobodne energije koji pokazuje diskontinuitet. Na primjer, prijelazi između krutih tvari, tekućina i plinova fazni su prijelazi prvog reda, jer latentna toplina stvara diskontinuitet u slobodnom derivatu energije.

Fazni prijelaz drugog reda ima diskontinuitet u drugom izvodu slobodne energije, ali u procesu nije uključena latentna toplina, pa se smatraju kontinuiranom fazom prijelazi. Primjeri uključuju prijelaz u supravodljivost (tj. Točku u kojoj nešto postaje supravodnik) i feromagnetski fazni prijelaz (kako je opisan Isingovim modelom).

Landauova teorija koristi se za opisivanje ponašanja sustava, posebno oko kritične točke. Općenito govoreći, dolazi do prekida simetrije na temperaturi faznog prijelaza, a to je osobito korisno kod opisujući prijelaze u tekućim kristalima, s fazom visoke temperature koja sadrži više simetrija od niske temperature faza.

Pretpostavimo da imate 1 kg bloka leda na 0 C i želite otopiti led i povisiti temperaturu na 20 C, malo iznad standardne sobne temperature. Kao što je prethodno spomenuto, dva su dijela bilo kojeg izračuna poput ovog: Morate izračunati fazu promijenite i zatim upotrijebite uobičajeni pristup za izračunavanje energije potrebne za povišenje temperature za navedenu iznos.

Latentna toplina topljenja vodenog leda iznosi 334 kJ / kg, pa se koristi jednadžba iz ranijeg:

Dakle, za topljenje leda, točno 1 kg, potrebno je 334 kilodžula energije. Naravno, ako radite s većom ili manjom količinom leda, 1 kg jednostavno bi se zamijenilo odgovarajućom vrijednošću.

Sada, kad se ta energija prenese na led, promijenit će fazualii dalje biti na temperaturi od 0 C. Da biste izračunali količinu topline koju biste trebali dodati da biste povisili temperaturu na 20 C, jednostavno trebate potražiti specifični toplinski kapacitet vode (C= 4.182 J / kg ° C) i upotrijebite standardni izraz:

Gdje je ∆Tstoji za promjenu temperature. To je lako riješiti s podacima koje imamo: Potrebna promjena temperature je 20 C, tako da je ostatak postupka jednostavno umetanje vrijednosti i izračunavanje:

Čitav postupak (tj. Topljenje leda i zagrijavanje vode) zahtijeva:

Dakle, većina energije dolazi iz procesa topljenja, a ne iz grijanja. Imajte na umu da je ovaj izračun uspio samo zato što su jedinice bile dosljedne tijekom cijelog vremena - masa je uvijek bila u kg i energija je pretvorena u kJ za konačni dodatak - i to biste uvijek trebali provjeriti prije pokušaja a proračun.

Sad zamislite da ste uzeli 1 kg vode na 20 C iz posljednjeg primjera i želite je pretvoriti u vodenu paru. Pokušajte riješiti ovaj problem prije čitanja jer je postupak u osnovi isti kao i prije. Prvo morate izračunati količinu toplinske energije potrebne da voda dovede do točke vrenja, a zatim možete nastaviti i izračunati koliko je dodatne energije potrebno za isparavanje vode.

Prva faza je poput druge faze prethodnog primjera, osim sada ∆T= 80 C, budući da je tačka ključanja tekuće vode 100 C. Dakle, korištenje iste jednadžbe daje:

Od trenutka kada je dodano ovoliko energije, ostatak energije ići će u isparavanje tekućine i morat ćete je izračunati pomoću drugog izraza. Ovo je:

GdjeL​_v = 2256 kJ / kg za tekuću vodu. Napominjući da u ovom primjeru ima 1 kg vode, možete izračunati:

Zbrajanjem oba dijela postupka dobivamo ukupnu potrebnu toplinu:

Ponovno imajte na umu da je velika većina toplinske energije koja se koristi u ovom procesu (kao kod topljenja leda) u faznom prijelazu, a ne u uobičajenom stupnju zagrijavanja.