相転移：タイプ、分類、特性および例（図付き）

誰もが子供の頃からアイスクリームが思いがけず（そして不必要に）溶けてしまった記憶があります。 たぶん、あなたはビーチにいて、溶けたアイスクリームの流れに遅れずについていくことを試みていましたが、その後、スクープ全体が砂に落ちました。 アイスキャンデーを太陽の下に置きすぎて、明るい色の甘い水の水たまりに戻ったのかもしれません。 あなたの経験が何であれ、ほとんどの人は何かの明確な記憶を持っています固相に移行する液相、およびその変更の結果。

もちろん、物理学者は、物質の異なる状態間のこれらの相変化を説明するための特定の言語を持っています。 材料のさまざまな物理的特性が、相変化を受ける温度など、材料の動作を左右することは驚くべきことではありません。 これらの相変化で消費されるエネルギーを計算する方法と、関連する物理について少し学ぶ 特性は、氷の融解から次のようなより珍しいプロセスまで、すべてを理解するために重要です。 昇華。

ほとんどの人は、物質の3つの主要な段階である固体、液体、気体に精通しています。 ただし、プラズマと呼ばれる4番目の物質の状態もあります。これについては、この記事の後半で簡単に説明します。 ソリッドは最も理解しやすいものです。 固体状態の物質はその形状を保持しており、顕著な程度まで圧縮することはできません。

例として水を使用すると、氷は固体状態であり、氷があなたの前で壊れることが直感的に明らかです それをより小さな体積に圧縮することができました、そしてそれでも壊れた氷はまだ同じことをします ボリューム。 スポンジを反例の可能性があると考えるかもしれませんが、その場合、スポンジを「圧縮」すると、実際には 自然な状態で含まれているすべての空気穴を取り除くだけです–実際の固形物は得られません 圧縮されています。

液体は入っている容器の形をしていますが、固体と同じように圧縮できません。 繰り返しになりますが、液体の水は非常に馴染みがあるため、これの完璧な例です。水はどの場所にも入れることができます。 コンテナの形状ですが、物理的に圧縮して、自然の場合よりも少ない体積を占めることはできません。 状態。 一方、水蒸気などのガスは、入っている容器の形状を満たしますが、圧縮することができます。

それぞれの振る舞いは、その原子構造によって説明されます。 固体では、原子の規則的な格子配列があり、原子が所定の位置に固定されているため、結晶構造または少なくともアモルファスの塊を形成します。 液体中では、分子や原子は自由に動きますが、水素結合によって部分的に接続されているため、自由に流れますが、ある程度の粘度があります。 気体では、分子は完全に分離されており、分子間力によって分子が一緒に保たれることはありません。そのため、気体は固体や液体よりもはるかに自由に膨張および圧縮できます。

固体に熱を加えると、融点に達するまで温度が上昇し、その段階で物事が変化します。 融点に達したときに追加する熱エネルギーは、温度を変化させません。 それは、一般に溶融と呼ばれる、固相から液相への相転移のためのエネルギーを提供します。

溶融のプロセスを説明する方程式は次のとおりです。

どこL​_f は材料の融解潜熱であり、m物質の質量であり、Q加えられる熱です。 方程式が示すように、潜熱の単位は、エネルギー/質量、または1 kgあたりのジュール、g、またはその他の質量の測定値です。 融解潜熱は、融解エンタルピーと呼ばれることもあれば、単に融解潜熱と呼ばれることもあります。

特定の物質について（たとえば、氷の融解を具体的に調べている場合）、これが発生する特定の転移温度があります。 氷を液体の水に溶かす場合、相転移温度は摂氏0度または273.15ケルビンです。 オンラインで多くの一般的な材料の融解潜熱を調べることができますが（「参考文献」を参照）、氷の場合は334 kJ / kgです。

相転移が起こる温度が物質の沸点であることを除いて、物質を気化させるときに融解と同じプロセスが起こります。 ただし、同じように、この時点で物質に与える追加のエネルギーは、この場合は液相から気相への相転移に入ります。 ここで使用する用語は、蒸発潜熱（または蒸発エンタルピー）ですが、概念は溶融潜熱の場合とまったく同じです。

方程式も同じ形式を取ります。

どこL​_v 今回は蒸発潜熱です（一般的な材料の値の表については、「参考文献」を参照してください）。 この場合も、各物質には特定の転移温度があり、液体の水は100℃または373.15ケルビンでこの転移を起こします。 したがって、特定の質量を加熱している場合m室温から沸点までの水を蒸発させてから蒸発させるには、2つの段階があります。 計算：それを100℃にするのに必要なエネルギー、そして気化するのに必要なエネルギー それ。

固体から液体への相転移（すなわち、融解）および液体から気体への相転移（気化）が最も一般的に遭遇するものですが、発生する可能性のある他の多くの転移があります。 特に、昇華物質が固相から直接気相に相転移するときです。

この動作の最もよく知られている例は、実際には固体二酸化炭素であるドライアイスです。 室温および大気圧では、二酸化炭素ガスに直接昇華するため、劇場の霧の影響によく使用されます。

昇華の反対は沈着、ガスが直接固体に状態変化する場合。 これは、あまり一般的には議論されていないが、それでも自然界で発生する別のタイプの相転移です。

圧力は、相転移が発生する温度に大きな影響を与えます。 より高い圧力では、気化点はより高く、より低い圧力では低下します。 これが、標高が高いほど水が低い温度で沸騰する理由です。圧力が低く、したがって沸点も低いためです。 この関係は通常、温度と圧力の軸と、問題の物質の固相、液相、気相を分離する線を持つ状態図で示されます。

状態図を注意深く見ると、物質が3つの主要な相すべて（つまり、気相、液相、固相）の交点にある特定のポイントがあることがわかります。 これはと呼ばれます三重点、または物質の臨界点であり、特定の臨界温度および臨界圧力で発生します。

物質の4番目の状態はプラズマです。 これは、技術的にはイオン化された（つまり、電子が除去された）ガスであるため、他の物質の状態とは少し異なります。 したがって、構成原子は正味の電荷を持っています）、したがって、他の状態と同じように相転移はありません 案件。

ただし、その動作は通常のガスとは非常に異なります。これは、電気的に「準中性」と見なすことができる一方で（陽子と電子の数が等しいため）全体プラズマ）、集中電荷と結果として生じる電流のポケットがあります。 プラズマはまた、通常のガスが反応しない方法で電場と磁場に反応します。

異なるフェーズ間の遷移を説明する最もよく知られている方法の1つは、エーレンフェスト分類システムです。 これは遷移を一次と二次の相転移に分割し、現代のシステムは強く基づいています この。 遷移の「次数」とは、不連続性を示す熱力学的自由エネルギーの最低次導関数を指します。 たとえば、固体、液体、気体の間の転移は、潜熱が自由エネルギーの派生物に不連続性を生み出すため、一次相転移です。

二次相転移は、自由エネルギーの二次導関数に不連続性があります。 しかし、プロセスには潜熱が含まれていないため、連続相と見なされます 遷移。 例としては、超伝導への遷移（つまり、何かが超伝導体になるポイント）や強磁性相転移（イジングモデルで説明されている）があります。

ランダウ理論は、特に臨界点周辺のシステムの動作を説明するために使用されます。 一般的に言えば、相転移温度で対称性の破れがあり、これは特に 液晶の遷移を記述し、高温相には低温よりも多くの対称性が含まれています 段階。

0℃で1kgの氷の塊があり、氷を溶かして温度を標準の室温より少し高い20℃に上げたいとします。 前述のように、このような計算には2つの部分があります。位相を計算する必要があります。 変更してから、通常のアプローチを使用して、指定された温度まで温度を上げるために必要なエネルギーを計算します 量。

水氷の融解潜熱は334kJ / kgであるため、前の式を使用します。

したがって、氷を溶かす、具体的には1 kgは、334キロジュールのエネルギーを消費します。 もちろん、氷の量が多かったり少なかったりする場合は、1kgを適切な値に置き換えるだけです。

さて、このエネルギーが氷に移されたとき、それは相を変えたでしょうだがまだ0℃の温度です。 温度を20°Cに上げるために追加する必要のある熱量を計算するには、水の比熱容量を調べるだけです（C= 4,182J / kg°C）そして標準式を使用します：

ここで∆T温度の変化を表します。 これは、私たちが持っている情報で簡単に解決できます。必要な温度の変化は20 Cであるため、残りのプロセスでは、値を挿入して計算するだけです。

したがって、プロセス全体（つまり、氷を溶かして水を加熱する）には、次のものが必要です。

したがって、エネルギーの大部分は、加熱ではなく、溶融プロセスから発生します。 この計算は、単位が全体を通して一貫しているためにのみ機能することに注意してください。質量は常にkgであり、 エネルギーは最終的な加算のためにkJに変換されました。そして、試行する前に常にこれを確認する必要があります。 計算。

ここで、最後の例から20°Cで1 kgの水を取り、それを水蒸気に変換したいとします。 プロセスは基本的に以前と同じであるため、先読みする前にこの問題を解決してみてください。 まず、水を沸点にするために必要な熱エネルギーの量を計算する必要があります。次に、水を気化させるために必要な追加のエネルギーの量を計算します。

最初のステージは前の例の2番目のステージと同じですが、今は∆です。T液体の水の沸点が100℃であるため、= 80℃。 したがって、同じ式を使用すると、次のようになります。

これだけのエネルギーが追加された時点から、残りのエネルギーは液体の気化に使われるため、他の式を使用して計算する必要があります。 これは：

どこL​_v =液体の水では2256kJ / kg。 この例では1kgの水があることに注意して、次のように計算できます。

プロセスの両方の部分を一緒に追加すると、必要な総熱量が得られます。

このプロセスで使用される熱エネルギーの大部分（氷が溶ける場合など）は、通常の加熱段階ではなく、相転移にあることに再度注意してください。