ყველას ახსოვს ბავშვობიდან და მოულოდნელად (და უნებლიედ) ნაყინი დნება. შესაძლოა თქვენ სანაპიროზე იმყოფებოდით და ცდილობთ გამყოლი ნაყინის ნაკადების თითების ჩამოგდებას, მაგრამ შემდეგ მთელი ბურთი ქვიშაში ჩავარდა. იქნებ მზეს ზედმეტად დიდხანს დატოვეთ პოპკულა და შაქრიანი წყლის მბზინვარე გუბეს დაუბრუნდით. როგორიც არ უნდა იყოს თქვენი გამოცდილება, ადამიანების უმეტესობას გარკვეულ მეხსიერებაში აქვს რაღაცმყარი ფაზაგადასვლათხევადი ფაზადა ამ ცვლილების შედეგები.
რა თქმა უნდა, ფიზიკოსებს აქვთ სპეციფიკური ენა მატერიის სხვადასხვა მდგომარეობას შორის ამ ფაზის ცვლილებების აღსაწერად. გასაკვირი არ უნდა იყოს, რომ მასალების სხვადასხვა ფიზიკური თვისებები არეგულირებს მათ ქცევას, მათ შორის ტემპერატურაზე, რომელზეც ისინი ფაზის ცვლილებებს განიცდიან. შეიტყობთ, თუ როგორ გამოთვლით ამ ფაზის დროს მოხმარებული ენერგიის შეცვლას და ცოტათი შესაბამის ფიზიკურ მონაცემებს თვისებებს გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს ყველაფრის გასაგებად, ყინულის დნობიდან დაწყებული უფრო უჩვეულო პროცესებით, როგორიცაა სუბლიმაცია.
მატერიის ფაზები
ადამიანების უმეტესობა იცნობს მატერიის სამ მთავარ ფაზას: მყარი, თხევადი და გაზი. ამასთან, არსებობს მატერიის მეოთხე მდგომარეობაც, რომელსაც პლაზმა ეწოდება, რომელიც მოკლედ აღწერილი იქნება ამ სტატიაში. მყარი გასაგებია უმარტივესი; მყარ მდგომარეობაში მყოფი მატერია ინარჩუნებს ფორმას და არ არის შეკუმშული მნიშვნელოვანი ხარისხით.
წყლის მაგალითის სახით ყინული მყარი მდგომარეობაა და ინტუიციურად ნათელია, რომ ყინული გატეხილიყო თქვენს წინაშე შეძლეს მისი პატარა მოცულობაში შეკუმშვა და მაშინაც კი, გატეხილი ყინული კვლავ იგივე მიიღებდა მოცულობა. თქვენ შეიძლება ასევე იფიქროთ ღრუბელზე, როგორც შესაძლო საწინააღმდეგო მაგალითზე, მაგრამ ამ შემთხვევაში, როდესაც მას "შეკუმშავთ", ნამდვილად უბრალოდ ამოიღეთ ყველა ჰაერის ხვრელი, რომელსაც იგი შეიცავს ბუნებრივ მდგომარეობაში - ფაქტობრივი მყარი ნივთიერება არ მიიღება შეკუმშული.
სითხეებს იღებს იმ კონტეინერის ფორმას, რომელშიც ისინი იმყოფებიან, მაგრამ ისინი შეუსაბამოდ ისევე, როგორც მყარი ნივთიერებები. კიდევ ერთხელ, თხევადი წყალი ამის შესანიშნავი მაგალითია, რადგან ის ძალიან ნაცნობია: შეგიძლიათ წყალი ჩადოთ ნებისმიერში კონტეინერის ფორმა, მაგრამ ფიზიკურად ვერ შეკუმშავთ, რომ ნაკლები მოცულობა მიიღოს, ვიდრე ბუნებრივია სახელმწიფო გაზები, როგორიცაა წყლის ორთქლი, ავსებენ იმ კონტეინერის ფორმას, რომელშიც ისინი არიან, მაგრამ მათი შეკუმშვა შეიძლება.
თითოეული ქცევა აიხსნება მისი ატომური სტრუქტურით. მყარ პირობებში, ატომების რეგულარული ბადის განლაგებაა, ამიტომ იგი ქმნის კრისტალურ სტრუქტურას ან ამორფულ მასას, მინიმუმ, რადგან ატომები ფიქსირდება ადგილზე. სითხეში მოლეკულები ან ატომები თავისუფლად მოძრაობენ, მაგრამ ნაწილობრივ დაკავშირებულია წყალბადის კავშირით, ამიტომ იგი თავისუფლად მიედინება, მაგრამ აქვს გარკვეული სიბლანტე. გაზში მოლეკულები მთლიანად გამოყოფილია, მათ შორის არ არის მოლეკულური ძალები, ამიტომ გაზს გაცილებით თავისუფლად შეუძლია გაფართოება და შეკუმშვა ვიდრე მყარი ან სითხე.
შერწყმის ლატენტური სითბო
როდესაც მყარს დაამატებთ სითბოს, ის ზრდის მის ტემპერატურას, სანამ დნობის წერტილს არ მიაღწევს, ამ ეტაპზე ყველაფერი იცვლება. დნობის ენერგია, რომელსაც დნობის წერტილში მოხვდებით, არ ცვლის ტემპერატურას; ის უზრუნველყოფს ენერგიას მყარი ფაზიდან თხევად ფაზაში გადასვლისთვის, რომელსაც ჩვეულებრივ დნობას უწოდებენ.
დნობის პროცესის აღწერილი განტოლებაა:
Q = mL_f
სადლვ არის მასალის შერწყმის ფარული სითბო,მარის ნივთიერების მასა დაQარის სითბო. როგორც განტოლება გვიჩვენებს, ლატენტური სითბოს ერთეულებია ენერგია / მასა, ან ჯოლები კგ-ზე, გ-ზე ან მასის სხვა საზომი. შერწყმის ლატენტურ სითბოს ზოგჯერ უწოდებენ შერწყმის ენტალპიას, ან ზოგჯერ მხოლოდ დნობის ფარულ სითბოს.
ნებისმიერი კონკრეტული ნივთიერებისათვის - მაგალითად, თუ თქვენ ყინულის დნობას ათვალიერებთ - არსებობს სპეციფიკური გარდამავალი ტემპერატურა, რომელზეც ეს ხდება. ყინულის თხევად წყალში დნობისთვის ფაზის გადასვლის ტემპერატურაა 0 გრადუსი ცელსიუსი ან 273,15 კელვინი. თქვენ შეგიძლიათ მოძებნოთ შერწყმის ფარული სითბო ინტერნეტში მრავალი ჩვეულებრივი მასალისთვის (იხ. რესურსები), მაგრამ ყინულისთვის ეს 334 კჯ / კგ.
აორთქლების ლატენტური სითბო
იგივე პროცესი, როგორც დნობისას ხდება ნივთიერების აორთქლებისას, გარდა იმისა, რომ ტემპერატურა, რომელზეც ხდება ფაზის გადასვლა, არის ნივთიერების დუღილის წერტილი. ამასთან, ანალოგიურად, დამატებითი ენერგია, რომელსაც ამ ეტაპზე აძლევ ნივთიერებას, გადადის ფაზის გადასვლაში, ამ შემთხვევაში თხევადი ფაზიდან გაზის ფაზაში. აქ გამოყენებული ტერმინი არის ორთქლის ფარული სითბო (ან ორთქლის ენტალპია), მაგრამ კონცეფცია ზუსტად იგივეა, რაც შერწყმის ფარული სითბოსთვის.
განტოლებასაც იგივე ფორმა აქვს:
Q = მლ_ვ
სადლვ ეს დრო არის ორთქლის ფარული სითბო (იხ. რესურსები საერთო მასალების მნიშვნელობების ცხრილისთვის). ისევ და ისევ, თითოეული ნივთიერებისათვის არსებობს სპეციალური გარდამავალი ტემპერატურა, თხევადი წყალი ამ გადასვლას განიცდის 100 C ან 373.15 Kelvin- ზე. ასე რომ, თუ გარკვეულ მასას ათბობთმწყლის ოთახის ტემპერატურიდან დუღილის წერტილამდე და შემდეგ აორთქლება, ორი ეტაპია გაანგარიშება: ენერგია, რომელიც საჭიროა 100 C ტემპერატურაზე მისასვლელად, შემდეგ კი ენერგია, რომელიც საჭიროა აორთქლებისთვის ის
სუბლიმაცია
მიუხედავად იმისა, რომ ფაზის გადასვლა მყარიდან თხევადი (ანუ დნობა) და ერთი თხევადიდან გაზზე (აორთქლება) ყველაზე ხშირად გვხვდება, არსებობს მრავალი სხვა გადასვლა, რაც შეიძლება მოხდეს. Კერძოდ,სუბლიმაციაარის, როდესაც ნივთიერება განიცდის ფაზურ გადასვლას მყარი ფაზიდან პირდაპირ გაზურ ფაზაში.
ამ საქციელის ყველაზე ცნობილი მაგალითია მშრალი ყინული, რომელიც სინამდვილეში არის მყარი ნახშირორჟანგი. ოთახის ტემპერატურაზე და ატმოსფერულ წნევაზე იგი პირდაპირ ნახშირორჟანგის გაზად იქცევა და ეს მას საერთო თეატრად აქცევს ნისლის ეფექტებისთვის.
სუბლიმაციის საწინააღმდეგოადეპონირება, სადაც გაზი განიცდის მდგომარეობას უშუალოდ მყარი ხდება. ეს არის ფაზის გადასვლის სხვა ტიპი, რომელიც ნაკლებად განიხილება, მაგრამ მაინც ხდება ბუნებაში.
ზეწოლის შედეგები ფაზის გადასვლებზე
ზეწოლას დიდი გავლენა აქვს ტემპერატურაზე, რომელზეც ხდება ფაზის გადასვლები. უფრო მაღალი წნევის დროს, ორთქლის წერტილი უფრო მაღალია და ის ქვედა წნევაზე ამცირებს. ამიტომ წყალი უფრო დაბალ ტემპერატურაზე ადუღდება, როდესაც სიმაღლეზე უფრო მაღალია, რადგან წნევა დაბალია და, შესაბამისად, დუღილის წერტილიც არის. ეს ურთიერთობა ჩვეულებრივ აისახება ფაზურ დიაგრამაზე, რომელსაც აქვს ტემპერატურისა და წნევის ღერძი და ხაზები, რომლებიც გამოყოფს მყარი, თხევადი და გაზის ფაზებს მოცემული ნივთიერებისათვის.
თუ ფაზის დიაგრამას ყურადღებით დაათვალიერებთ, შეამჩნევთ, რომ არსებობს კონკრეტული წერტილი, რომელზეც ნივთიერება სამივე ძირითადი ფაზის (ანუ გაზის, თხევადი და მყარი ფაზის) გადაკვეთაზე იმყოფება. ამას ეწოდებასამმაგი წერტილი, ან ნივთიერების კრიტიკული წერტილი, და ეს ხდება კონკრეტულ კრიტიკულ ტემპერატურაზე და კრიტიკულ წნევაზე.
პლაზმური
მატერიის მეოთხე მდგომარეობაა პლაზმა. ეს ცოტათი განსხვავდება მატერიის სხვა მდგომარეობებისაგან, რადგან ეს ტექნიკურად არის გაზი, რომელიც იონიზირებულია (ანუ ელექტრონები ამოიღეს შემადგენელ ატომებს აქვთ სუფთა ელექტრული მუხტი) და მას არ აქვს ფაზის გადასვლა ისევე, როგორც სხვა სახელმწიფოები მატერია.
მისი ქცევა ძალიან განსხვავდება ტიპიური გაზისგან, თუმცა, რადგან ის შეიძლება ჩაითვალოს ელექტრონულად "კვაზი-ნეიტრალურად" (რადგან პროტონისა და ელექტრონის თანაბარი რაოდენობაამთლიანიპლაზმაში), არსებობს კონცენტრირებული მუხტის ჯიბეები და მიღებული დენებისაგან. პლაზმები ასევე რეაგირებენ ელექტრო და მაგნიტურ ველებზე ისე, როგორც ტიპიური გაზი არ გამოდგებოდა.
ერენფესტის კლასიფიკაცია
სხვადასხვა ფაზებს შორის გადასვლის აღწერის ერთ-ერთი ყველაზე ცნობილი გზაა ერენფესტის კლასიფიკაციის სისტემა, რომელიც ყოფს გადასვლებს პირველ რიგში და მეორე რიგის ფაზურ გადასვლებში და თანამედროვე სისტემა მტკიცედ ემყარება მას ეს გარდატეხის „შეკვეთა“ გულისხმობს თერმოდინამიკური თავისუფალი ენერგიის ყველაზე დაბალი რიგის წარმოებულს, რომელიც აჩვენებს შეწყვეტას. მაგალითად, მყარ, სითხეებსა და გაზებს შორის გადასვლები პირველი რიგის ფაზის გადასვლებია, რადგან ლატენტური სითბო შეუწყვეტლობას ქმნის თავისუფალი ენერგიის წარმოებულში.
მეორე რიგის ფაზის გადასვლას აქვს შეწყვეტა თავისუფალი ენერგიის მეორე წარმოებულში, მაგრამ პროცესში არ არის ლატენტური სითბო, ამიტომ ისინი განიხილება უწყვეტი ეტაპისთვის გადასვლები. მაგალითები მოიცავს სუპერგამტარობაზე გადასვლას (ე.ი. წერტილს, როდესაც რაღაც ხდება სუპერგამტარზე) და ფერომაგნიტური ფაზის გადასვლას (როგორც ეს აღწერილია ისინგის მოდელში).
ლანდაუს თეორია გამოიყენება სისტემის ქცევის აღსაწერად, განსაკუთრებით კრიტიკული წერტილის გარშემო. ზოგადად რომ ვთქვათ, ფაზის გადასვლის ტემპერატურაზე სიმეტრიის დარღვევაა და ეს განსაკუთრებით სასარგებლოა თხევად კრისტალებში გადასვლების აღწერა, მაღალი ტემპერატურის ფაზა შეიცავს მეტ სიმეტრიას, ვიდრე დაბალი ტემპერატურა ფაზა
ფაზის გადასვლის მაგალითები: ყინულის დნობა
მოდით დავუშვათ, რომ თქვენ გაქვთ 1 კგ ყინულის ბლოკი 0 C ტემპერატურაზე და გსურთ ყინულის დნება და ტემპერატურის გაზრდა 20 C- ზე, ცოტათი სტანდარტული ოთახის ტემპერატურაზე. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, მსგავსი გაანგარიშების ორი ნაწილია: თქვენ უნდა გამოთვალოთ ეტაპი შეცვალეთ და შემდეგ გამოიყენეთ ჩვეულებრივი მიდგომა ენერგიის გამოსათვლელად, რომელიც საჭიროა ტემპერატურის ასამაღლებლად მითითებული თანხა
წყლის ყინულის შერწყმის ლატენტური სითბოა 334 კჯ / კგ, ამიტომ ადრე არსებული განტოლების გამოყენებით:
\ დაწყება {გასწორება} Q & = mL_f \\ & = 1 \ ტექსტი {კგ} 334 \ ტექსტი {კჯ / კგ} \\ & = 334 \ ტექსტი {კჯ} \ დასრულება {გასწორებული}
ასე რომ, ყინულის დნობა, კერძოდ 1 კგ, იღებს 334 კილოჯოულა ენერგიას. რა თქმა უნდა, თუ თქვენ მუშაობდით ყინულის მეტ ან მცირე რაოდენობაზე, 1 კგ უბრალოდ შეიცვლებოდა შესაბამისი მნიშვნელობით.
ახლა, როდესაც ეს ენერგია გადავა ყინულზე, ის შეიცვლება ფაზითმაგრამკვლავ იყოს 0 C ტემპერატურაზე. სითბოს ოდენობის გამოსათვლელად, თქვენ უნდა დაამატოთ ტემპერატურა 20 C- მდე, თქვენ უბრალოდ უნდა მოძებნოთ წყლის კონკრეტული სითბოს ტევადობა (გ= 4,182 J / კგ ° C) და გამოიყენეთ სტანდარტული გამოთქმა:
Q = mC∆T
სადთდგას ტემპერატურის ცვლილებისთვის. ეს მარტივია ჩვენს ხელთ არსებულ ინფორმაციასთან შემუშავება: საჭიროა ტემპერატურის ცვლილება 20 C, ამიტომ პროცესის დარჩენილი ნაწილია მხოლოდ მნიშვნელობების ჩასმა და გამოთვლა:
\ დაიწყოს {გასწორებული} Q & = mC∆T \\ & = 1 \ ტექსტი {კგ} 4182 \ ტექსტი {J / კგ ° C} × 20 \ ტექსტი {° C} \\ & = 83,640 \ ტექსტი {J} = 83,64 \ ტექსტი {kJ} \ ბოლო {გასწორებული}
მთელი პროცესი (ანუ, ყინულის დნობა და წყლის გათბობა) მოითხოვს:
334 \ ტექსტი {kJ} + 83,64 \ ტექსტი {kJ} = 417,64 \ ტექსტი {kJ}
ასე რომ, ენერგიის უმეტესი ნაწილი დნობის პროცესიდან მოდის, ვიდრე გათბობით. გაითვალისწინეთ, რომ ამ გაანგარიშებამ მხოლოდ იმიტომ იმუშავა, რომ ერთეულები მთლიანი იყო - მასა ყოველთვის იყო კგ-ით და ენერგია გარდაიქმნა კჯ-ში საბოლოო დამატებაში - და ამას ყოველთვის უნდა შეამოწმოთ სანამ ა გაანგარიშება.
ფაზის გადასვლის მაგალითები: თხევადი წყლის აორთქლება
ახლა წარმოიდგინეთ, რომ თქვენ მიიღეთ 1 კგ წყალი 20 C ტემპერატურაზე ბოლო მაგალითიდან და გსურთ მისი წყლის ორთქლად გადაკეთება. შეეცადეთ ამ პრობლემის მოგვარებას, სანამ წინასწარ წაიკითხავთ, რადგან ეს პროცესი არსებითად იგივეა, რაც ადრე. პირველ რიგში, თქვენ უნდა გამოთვალოთ სითბოს ენერგიის რაოდენობა, რომელიც საჭიროა წყლის დუღილის წერტილამდე მისატანად, შემდეგ კი შეგიძლიათ გააგრძელოთ და იმუშაოთ, თუ რამდენი დამატებითი ენერგიაა საჭირო წყლის აორთქლებისთვის.
პირველი ეტაპი ჰგავს წინა მაგალითის მეორე ეტაპს, გარდა ახლათ= 80 C, რადგან თხევადი წყლის დუღილის ტემპერატურაა 100 C. იგივე განტოლების გამოყენებით მოცემულია:
\ დაიწყოს {გასწორებული} Q & = mC∆T \\ & = 1 \ ტექსტი {კგ} 4182 \ ტექსტი {J / კგ ° C} × 80 \ ტექსტი {° C} \\ & = 334,560 \ ტექსტი {J} = 334.56 \ ტექსტი {kJ} \ დასრულება {გასწორებული}
იმ მომენტიდან, როდესაც ამდენი ენერგია დაემატა, ენერგიის დარჩენილი ნაწილი სითხის აორთქლებას მოხმარდება და მისი გამოთვლა სხვა გამონათქვამის გამოყენებით დაგჭირდებათ. Ეს არის:
Q = მლ_ვ
სადლვ = 2256 კჯ / კგ თხევადი წყლისთვის. აღნიშნავენ, რომ ამ მაგალითში არის 1 კგ წყალი, შეგიძლიათ გამოთვალოთ:
\ დაწყება {გასწორება} Q & = 1 \ ტექსტი {kg} × 2256 \ ტექსტი {kJ / კგ} \\ & = 2256 \ ტექსტი {kJ} \ დასრულება {გასწორებული}
პროცესის ორივე ნაწილის დამატება იძლევა საერთო სითბოს:
2256 \ text {kJ} + 334.56 \ text {kJ} = 2590.56 \ text {kJ}
კიდევ ერთხელ გაითვალისწინეთ, რომ ამ პროცესში გამოყენებული სითბური ენერგიის აბსოლუტური უმრავლესობა (მაგალითად, დნობის ყინულის დროს) ფაზაში გარდამავალ ეტაპზეა და არა ჩვეულებრივი გათბობის ეტაპზე.