Fázisátalakulások: típusok, osztályozások, tulajdonságok és példák (ábrával)

Mindenkinek emléke van gyerekkorából, és váratlanul (és akaratlanul) megolvadt a fagylalt. Talán a tengerparton voltál, és megpróbáltál lépést tartani az ujjadon végigfolyt olvadt fagylaltokkal, de aztán az egész gombóc leesett a homokba. Lehet, hogy túl sokáig hagytál kint a napon, és visszatértél egy világító színű, cukros vízpocsolyához. Bármi is legyen a tapasztalata, a legtöbb embernek világos emléke van valamiről aszilárd fázisáttérés afolyékony fázis, és ennek a változásnak a következményei.

Természetesen a fizikusoknak sajátos nyelvük van arra, hogy leírják ezeket a fázisváltozásokat az anyag különböző állapotai között. Nem lehet meglepő, hogy az anyagok különböző fizikai tulajdonságai szabályozzák viselkedésüket, beleértve azokat a hőmérsékleteket is, amelyeken a fázisváltozások mennek keresztül. Megtanulni, hogyan számolja ki az ebben a fázisban felhasznált energiát, és egy kicsit megismerheti a vonatkozó fizikai tényezőket tulajdonságai kulcsfontosságúak a jég olvadásától a szokatlanabb folyamatokig, mint pl szublimáció.

A legtöbb ember ismeri az anyag három fő fázisát: szilárd, folyékony és gáz. Van azonban egy negyedik anyagállapot is, amelyet plazmának hívnak, és amelyet a cikk későbbi részében röviden leírunk. A szilárd anyagokat a legkönnyebb megérteni; a szilárd állapotban lévő anyag megtartja alakját, és nem összenyomható jelentős mértékben.

A vizet használva a jég szilárd állapot, és intuitív módon világos, hogy a jég elszakadna előtted kisebb térfogatra tudták tömöríteni, és akkor is a megtört jég ugyanúgy felveszi hangerő. Lehet, hogy a szivacsra is gondol, mint lehetséges ellenpéldára, de ebben az esetben, amikor "összenyomja", akkor valóban csak a természetes állapotában lévő összes léglyuk eltávolítása - a tényleges szilárd anyag nem jut be összenyomva.

A folyadékok a tartály formáját veszik, amelyben vannak, de tömöríthetetlenek ugyanúgy, mint a szilárd anyagok. Ismét a folyékony víz a tökéletes példa erre, mert annyira ismerős: Bármelyikbe vizet tehet alakú edényt, de fizikailag nem tudja összenyomni, hogy kevesebb térfogatot vegyen fel, mint természetes módon állapot. A gázgázhoz hasonló gázok viszont kitöltik a tartály alakját, amelyben vannak, de összenyomhatók.

Mindegyik viselkedését atomszerkezetük magyarázza. Egy szilárd anyagban szabályos az atomok rácsos elrendezése, ezért kristályszerkezetet vagy legalább amorf tömeget képez, mivel az atomok a helyükön vannak rögzítve. Egy folyadékban a molekulák vagy atomok szabadon mozoghatnak, de hidrogénkötés révén részben összekapcsolódnak, így szabadon áramlik, de viszkozitása némi. Egy gázban a molekulák teljesen el vannak választva, molekulák közötti erő nem tartja őket össze, ezért a gáz sokkal szabadabban tud tágulni és összenyomódni, mint akár a szilárd, akár a folyékony.

Ha egy szilárd anyaghoz hőt adunk, az addig növeli a hőmérsékletét, amíg el nem éri olvadáspontját, ebben a szakaszban a dolgok megváltoznak. Az a hőenergia, amelyet hozzáad, ha olvadásponton van, nem változtatja meg a hőmérsékletet; energiát biztosít a szilárd fázisból a folyékony fázisba történő átmenethez, amelyet általában olvadásnak neveznek.

Az olvadás folyamatát leíró egyenlet:

HolL​_f az anyag látens fúziós hője,maz anyag tömege ésQa hozzáadott hő. Amint az egyenlet mutatja, a látens hő egységei az energia / tömeg, vagy joule / kg, g vagy más tömegmérő. A látens fúziós hőt néha fúziós entalpiának, vagy néha csak az olvadás látens hőjének nevezik.

Bármely konkrét anyag esetében - például ha kifejezetten a jég olvadását vizsgálja - van egy meghatározott átmeneti hőmérséklet, amelynél ez bekövetkezik. A jég folyékony vízzé olvasztásához a fázisátmeneti hőmérséklet 0 Celsius fok vagy 273,15 Kelvin. Számos elterjedt anyag rejtett fúziós hőjét nézheti meg online (lásd a forrásokat), de a jég esetében ez 334 kJ / kg.

Ugyanaz a folyamat folyik, mint egy anyag elpárologtatásakor, kivéve, hogy a fázisátalakulás hőmérséklete az anyag forráspontja. Ugyanakkor ugyanúgy az anyagnak adott további energia ebben a pontban a fázisátmenetbe kerül, ebben az esetben a folyékony fázisból a gázfázisba. Az itt használt kifejezés a látens párolgási hő (vagy a párolgási entalpia), de a koncepció pontosan megegyezik a látens fúziós hővel.

Az egyenlet ugyanazt a formát ölti:

HolL​_v ez az idő a látens párolgási hő (lásd a forrásokat az általános anyagok értékeinek táblázatához). Ismét mindegyik anyagnak van egy meghatározott átmeneti hőmérséklete, amelynek folyékony vize 100 C-on vagy 373,15 Kelvin hőmérsékleten megy át. Tehát ha egy bizonyos tömeget melegítma vizet szobahőmérséklettől forráspontig, majd elpárologtatva, két szakaszból áll a számítás: a 100 ° C-os hőmérséklet eléréséhez szükséges energia, majd a párologtatáshoz szükséges energia azt.

Bár a fázisátmenet a szilárdból folyékonyba (azaz olvadás) és a folyadékból gázba (párologtatás) a leggyakrabban előforduló, sok más átmenet is előfordulhat. Különösen,szublimációamikor egy anyag fázisátmeneten megy keresztül egy szilárd fázisból közvetlenül gázfázisba.

A viselkedés legismertebb példája a szárazjég, amely valójában szilárd szén-dioxid. Szobahőmérsékleten és légköri nyomáson közvetlenül szublimálódik szén-dioxidgázzá, és ez általánosan választott színházi ködhatásokra.

A szublimáció ellentéte azlerakódás, ahol egy gáz állapotváltozáson megy keresztül közvetlenül szilárd anyaggá. Ez a fázisátalakulás egy másik típusa, amelyet ritkábban tárgyalnak, de a természetben mégis előfordul.

A nyomás nagy hatással van a fázisátalakulások hőmérsékletére. Nagyobb nyomáson a párolgási pont magasabb, és alacsonyabb nyomáson csökken. Ez az oka annak, hogy a víz alacsonyabb hőmérsékleten forral fel, ha magasabb a magassága, mert a nyomás alacsonyabb, ezért a forráspont is. Ezt az összefüggést általában egy fázisdiagram mutatja be, amely a hőmérséklet és a nyomás tengelyeivel, valamint a szóban forgó anyag szilárd, folyékony és gáz fázisait elválasztó vonalakkal rendelkezik.

Ha alaposan megnézi a fázisdiagramot, észreveszi, hogy van egy meghatározott pont, ahol az anyag mindhárom fő fázis (azaz a gáz-, folyadék- és szilárdfázis) metszéspontjában van. Ezt hívjákhármas pont, vagy az anyag kritikus pontja, és ez egy meghatározott kritikus hőmérsékleten és kritikus nyomáson fordul elő.

Az anyag negyedik állapota a plazma. Ez kissé eltér a többi anyagállapottól, mert technikailag ionizált gáz (azaz eltávolították az elektronokat) tehát az alkotó atomok nettó elektromos töltéssel rendelkeznek), és így nincs fázisátmenete ugyanúgy, mint a többi ügy.

Viselkedése azonban nagyon különbözik a tipikus gáztól, mert bár elektromosan „kvázi semlegesnek” tekinthető (mivel a protonok és az elektronok száma azonosegészplazma), vannak koncentrált töltésű és ebből eredő áramok. A plazmák az elektromos és mágneses mezőkre is úgy reagálnak, mint egy tipikus gáz.

A különböző fázisok közötti átmenet leírásának egyik legismertebb módja az Ehrenfest osztályozási rendszer, amely az átmeneteket elsőrendű és másodrendű fázisátmenetekre bontja, és a modern rendszer erősen arra épül ez. Az átmenet "rendje" a termodinamikai szabad energia legalacsonyabb sorrendű származékára vonatkozik, amely megszakítást mutat. Például a szilárd anyagok, folyadékok és gázok közötti átmenet elsőrendű fázisátmenet, mivel a látens hő megszakítást eredményez a szabad energia származékban.

A második rendű fázisátmenetnek folytonossága van a szabad energia második deriváltjában, de a folyamatban nincs látens hő, ezért folyamatos fázisnak számítanak átmenetek. Ilyen például a szupravezetésre való áttérés (vagyis az a pont, amikor valami szupravezetõvé válik), és a ferromágneses fázisátmenet (az Ising-modell szerint).

A Landau-elméletet a rendszer viselkedésének leírására használják, különösen egy kritikus pont körül. Általánosságban elmondható, hogy a fázisátmeneti hőmérsékleten szimmetria törik, és ez különösen hasznos folyadékkristályokban történő átmeneteket ír le, a magas hőmérsékletű fázis több szimmetriát tartalmaz, mint az alacsony hőmérséklet fázis.

Tegyük fel, hogy van 1 kg jégtömbje 0 C-on, és meg akarja olvasztani a jeget, és a hőmérsékletet 20 C-ra emeli, kissé meghaladva a szokásos szobahőmérsékletet. Mint korábban említettük, minden ilyen számításnak két része van: Ki kell számolnia a fázist változtassa meg, majd a szokásos megközelítéssel számítsa ki a hőmérséklet előírt emeléséhez szükséges energiát összeg.

A vízjég látens fúziós hője 334 kJ / kg, tehát a korábbi egyenletet használva:

Tehát a jég megolvadása, kifejezetten 1 kg, 334 kilojoule energiát igényel. Természetesen, ha nagyobb vagy kisebb mennyiségű jéggel dolgozik, akkor az 1 kg-ot egyszerűen a megfelelő érték váltja fel.

Most, amikor ez az energia átkerül a jégre, megváltozik a fázisadetovábbra is 0 C hőmérsékleten. A hőmérséklet 20 C-ra való emeléséhez hozzáadandó hőmennyiség kiszámításához egyszerűen meg kell keresnie a víz fajlagos hőteljesítményét (C= 4,182 J / kg ° C) és használja a standard kifejezést:

Hol ∆Ta hőmérséklet változását jelenti. Ez könnyen kezelhető a rendelkezésünkre álló információkkal: A szükséges hőmérséklet-változás 20 C, így a folyamat fennmaradó részében egyszerűen be kell írni az értékeket és kiszámítani:

Az egész folyamat (vagyis a jég megolvasztása és a víz felmelegítése) ezért megköveteli:

Tehát az energia nagy része az olvadási folyamatból származik, nem pedig a melegítésből. Vegye figyelembe, hogy ez a számítás csak azért működött, mert az egységek végig konzisztensek voltak - a tömeg mindig kg-ban, és az energiát kJ-vá alakították át a végső összeadáshoz - és ezt mindig ellenőriznie kell, mielőtt megkísérelné a számítás.

Most képzelje el, hogy az 1 kg vizet 20 C-on veszi az utolsó példából, és vízgőzzé akarja alakítani. Próbálja meg megoldani ezt a problémát, mielőtt előre olvasna, mert a folyamat lényegében ugyanaz, mint korábban. Először ki kell számolnia a víz forrásponthoz jutásához szükséges hőenergia mennyiségét, majd folytathatja és meghatározhatja, hogy mennyi további energia szükséges a víz elpárologtatásához.

Az első szakasz olyan, mint az előző példa második szakasza, kivéve most nowT= 80 C, mivel a folyékony víz forráspontja 100 C. Tehát ugyanazon egyenlet használata:

Attól a ponttól kezdve, hogy ennyi energiát adtak hozzá, az energia fennmaradó része a folyadék elpárologtatására szolgál, és ezt a másik kifejezés segítségével kell kiszámítania. Ez:

HolL​_v = 2256 kJ / kg folyékony víz esetén. Figyelembe véve, hogy ebben a példában 1 kg víz van, kiszámíthatja:

Ha a folyamat mindkét részét összeadjuk, megkapjuk az összes szükséges hőt:

Megjegyezzük még egyszer, hogy az ebben a folyamatban felhasznált hőenergia túlnyomó része (mint például az olvadó jég esetében) fázisátmenetben van, nem pedig a szokásos fűtési szakaszban.