Fazių perėjimai: tipai, klasifikacijos, ypatybės ir pavyzdžiai (su schema)

Kiekvienas turi atmintį nuo tada, kai buvo vaikas ir netikėtai (ir nepageidaujamai) ištirpo ledai. Galbūt buvote paplūdimyje ir bandėte neatsilikti nuo ištirpusių ledų srautų, tekančių pirštais, bet tada visa samtelis nukrito į smėlį. Gal per ilgai palikote saulėje saulėgrąžas ir grįžote prie šviežios spalvos saldaus vandens balos. Kad ir kokia būtų jūsų patirtis, dauguma žmonių aiškiai žino apie ką nors iškietoji fazėpereinant prieskystoji fazė, ir to pasikeitimo pasekmės.

Žinoma, fizikai turi tam tikrą kalbą, kad apibūdintų šiuos fazių pokyčius tarp skirtingų materijos būsenų. Nenuostabu, kad skirtingos medžiagų fizinės savybės lemia jų elgesį, įskaitant temperatūrą, kurioje jie keičia fazes. Sužinokite, kaip apskaičiuoti sunaudotą energiją šiame etape, ir šiek tiek apie atitinkamą fizinį savybės yra labai svarbios norint suprasti viską, pradedant ledo tirpimu, baigiant neįprastesniais procesais sublimacija.

Daugumai žmonių yra žinomos trys pagrindinės materijos fazės: kietasis, skystasis ir dujinis. Tačiau yra ir ketvirtoji materijos būsena, vadinama plazma, kuri bus trumpai aprašyta vėliau šiame straipsnyje. Kietosios medžiagos yra lengviausiai suprantamos; kietoje būsenoje esanti medžiaga išlaiko savo formą ir nėra žymiai sutramdoma.

Naudojant vandenį kaip pavyzdį, ledas yra kieta būsena, ir intuityviai aišku, kad ledas sulūžtų prieš jus sugebėjo suspausti jį į mažesnį tūrį, ir net tada nulūžęs ledas vis tiek užims tą patį apimtis. Jūs taip pat galite galvoti apie kempinę kaip apie galimą pavyzdį, tačiau tokiu atveju, kai ją „suspausite“, jūs tikrai tiesiog pašalinant visas oro skyles, kurios jose yra natūralios būsenos - faktinė kietoji medžiaga negauna suspaustas.

Skysčiai įgauna indo formą, kurioje yra, tačiau jie yra nesuspausti taip pat, kaip ir kietosios medžiagos. Vėlgi, skystas vanduo yra puikus to pavyzdys, nes jis yra toks įprastas: galite įpilti vandens į bet kurį konteinerio formos, tačiau jūs negalite jo fiziškai suspausti, kad užimtų mažiau tūrio nei natūraliu būdu valstija. Kita vertus, tokios dujos kaip vandens garai užpildo indo, kuriame jie yra, formą, tačiau gali būti suspaustos.

Kiekvieno elgesys paaiškinamas jo atomine struktūra. Kietojoje medžiagoje yra reguliarus atomų gardelių išdėstymas, todėl jis suformuoja kristalų struktūrą arba bent jau amorfinę masę, nes atomai yra fiksuoti. Skystyje molekulės ar atomai gali laisvai judėti, bet iš dalies yra sujungiami jungiantis vandeniliui, todėl jis teka laisvai, tačiau turi tam tikrą klampumą. Dujose molekulės yra visiškai atskirtos, o tarpmolekulinės jėgos jų nelaiko kartu, todėl dujos gali išsiplėsti ir suspausti daug laisviau nei kietosios medžiagos, ar skysčiai.

Pridedant šilumos prie kietos medžiagos, ji padidina temperatūrą, kol pasiekia lydymosi temperatūrą, kurioje viskas pasikeičia. Šilumos energija, kurią pridedate, kai esate lydymosi temperatūroje, nekeičia temperatūros; jis suteikia energijos fazės perėjimui iš kietosios fazės į skystąją fazę, paprastai vadinamą lydymu.

Lydymosi procesą apibūdinanti lygtis yra:

KurL​_f yra latentinė medžiagos susiliejimo šiluma,myra medžiagos masė irKlausimasyra pridėta šiluma. Kaip rodo lygtis, latentinės šilumos vienetai yra energija / masė arba džauliai kilogramui, g ar kitas masės matas. Latentinė sintezės šiluma kartais vadinama sintezės entalpija, arba kartais tiesiog latentine lydymosi šiluma.

Bet kuriai konkrečiai medžiagai, pavyzdžiui, jei žiūrite į ledo tirpimą, yra tam tikra pereinamoji temperatūra, kurioje tai įvyksta. Tirpstant ledui į skystą vandenį, fazių perėjimo temperatūra yra 0 laipsnių Celsijaus arba 273,15 Kelvino. Galite ieškoti latentinės daugelio įprastų medžiagų sintezės šilumos (žr. Ištekliai), tačiau ledo atveju ji yra 334 kJ / kg.

Tas pats procesas, kaip ir lydant, vyksta garinant medžiagą, išskyrus tai, kad fazės perėjimo temperatūra yra medžiagos virimo temperatūra. Vis dėlto tokiu pačiu būdu papildoma energija, kurią jūs suteikiate medžiagai, pereina į fazės perėjimą, šiuo atveju iš skystos fazės į dujų fazę. Čia vartojamas terminas yra latentinė garavimo šiluma (arba garavimo entalpija), tačiau sąvoka yra tokia pati kaip ir latentinės sintezės šilumos.

Lygtis taip pat turi tą pačią formą:

KurL​_v šis laikas yra latentinė garavimo šiluma (įprastų medžiagų verčių lentelę žr. Ištekliai). Vėlgi, kiekvienai medžiagai yra specifinė perėjimo temperatūra, skystam vandeniui perėjus 100 ° C arba 373,15 Kelvino. Taigi, jei kaitinate tam tikrą masęmvandens nuo kambario temperatūros iki virimo temperatūros ir paskui jį išgarinant, yra du etapai skaičiavimas: energija, reikalinga jai pasiekti iki 100 C, o paskui energija, reikalinga garavimui tai.

Nors dažniausiai susidaro fazinis perėjimas nuo kieto į skystą (t. Y. Lydymasis) ir iš skysčio į dujas (garuojantis), gali būti ir daugybė kitų perėjimų. Visų pirma,sublimacijayra kai medžiaga pereina fazės perėjimą iš kietosios fazės tiesiai į dujinę fazę.

Labiausiai žinomas tokio elgesio pavyzdys yra sausame lede, kuris iš tikrųjų yra kietasis anglies dioksidas. Kambario temperatūroje ir atmosferos slėgyje jis sublimuojasi tiesiai į anglies dvideginio dujas, todėl tai yra įprastas teatro rūko efektų pasirinkimas.

Sublimacijos priešingybė yranusėdimas, kur dujos keičiasi tiesiogiai į kietąsias. Tai dar viena fazių perėjimo rūšis, apie kurią kalbama rečiau, bet vis tiek pasitaiko gamtoje.

Slėgis daro didelę įtaką temperatūrai, kurioje vyksta fazių perėjimai. Esant aukštesniam slėgiui, garavimo taškas yra aukštesnis, o esant žemesniam slėgiui, jis sumažėja. Štai kodėl aukštesniame aukštyje vanduo verda žemesnėje temperatūroje, nes slėgis yra žemesnis, todėl virimo temperatūra taip pat yra. Šis ryšys paprastai parodomas fazių diagramoje, kurioje yra temperatūros ir slėgio ašys bei linijos, skiriančios kietąsias, skystąsias ir dujų fazes atitinkamai medžiagai.

Atidžiai pažvelgę ​​į fazių schemą, pastebėsite, kad yra tam tikras taškas, kuriame medžiaga yra visų trijų pagrindinių fazių (t. Y. Dujų, skysčio ir kietosios fazės) sankirtoje. Tai vadinamatrigubas taškas, arba kritinis medžiagos taškas, ir jis įvyksta esant tam tikrai kritinei temperatūrai ir kritiniam slėgiui.

Ketvirta materijos būsena yra plazma. Tai šiek tiek skiriasi nuo kitų materijos būsenų, nes techniškai tai yra jonizuotos dujos (t. Y. Buvo pašalinti elektronai) todėl sudedamieji atomai turi grynąjį elektrinį krūvį), taigi fazių perėjimas neturi taip pat, kaip ir kitose reikalas.

Tačiau jos elgesys labai skiriasi nuo tipiškų dujų, nes nors elektriniu požiūriu tai gali būti laikoma „beveik neutralia“ (nes protone ir elektrone yra vienodas skaičiusvisasplazma), yra koncentruoto krūvio ir gaunamų srovių kišenės. Plazmos taip pat reaguoja į elektrinius ir magnetinius laukus taip, kaip tipinės dujos to nedarytų.

Vienas iš labiausiai žinomų būdų apibūdinti perėjimus tarp skirtingų fazių yra „Ehrenfest“ klasifikavimo sistema, kuris skaido perėjimus į pirmosios ir antrosios eilės fazių perėjimus, o šiuolaikinė sistema yra tvirtai paremta tai. Perėjimo „tvarka“ reiškia žemiausios eilės termodinaminės laisvosios energijos darinį, kuris rodo nepertraukiamumą. Pavyzdžiui, perėjimai tarp kietųjų medžiagų, skysčių ir dujų yra pirmos eilės faziniai perėjimai, nes latentinė šiluma sukuria laisvosios energijos darinio pertraukimą.

Antrosios eilės fazinis perėjimas turi antrosios laisvos energijos išvestinės pertrauką, tačiau procese nėra latentinės šilumos, todėl jie laikomi nuolatine faze perėjimai. Pavyzdžiai apima perėjimą prie superlaidumo (t. Y. Taško, kuriame kažkas tampa superlaidininku) ir feromagnetinio fazių perėjimo (kaip aprašyta Isingo modelyje).

Landau teorija naudojama sistemos elgesiui apibūdinti, ypač kritiniame taške. Paprastai tariant, fazės perėjimo temperatūroje lūžta simetrija, ir tai ypač naudinga esant apibūdinantis perėjimus skystuose kristaluose, o aukštos temperatūros fazėje yra daugiau simetrijos nei žemoje temperatūroje fazė.

Tarkime, kad turite 1 kg ledo luitą 0 C temperatūroje, ir norite ištirpdyti ledą ir pakelti temperatūrą iki 20 C, šiek tiek viršijančią standartinę kambario temperatūrą. Kaip minėta anksčiau, tokiems skaičiavimams yra dvi dalys: jums reikia apskaičiuoti fazę pakeiskite ir tada naudokite įprastą metodą, kad apskaičiuotumėte energiją, reikalingą temperatūrai pakelti nurodytu suma.

Latentinė vandens ledo sintezės šiluma yra 334 kJ / kg, taigi naudojant ankstesnės lygtį:

Taigi tirpstant ledui, konkrečiai 1 kg, reikia 334 kilodžaulių energijos. Žinoma, jei dirbote su didesniu ar mažesniu ledo kiekiu, 1 kg paprasčiausiai pakeis atitinkama vertė.

Dabar, kai ši energija bus perkelta į ledą, ji pasikeisbetvis tiek būti 0 C temperatūroje. Norėdami apskaičiuoti šilumos kiekį, kurį turėtumėte pridėti, kad temperatūra pakiltų iki 20 C, tiesiog reikia ieškoti specifinės vandens šilumos talpos (C= 4,182 J / kg ° C) ir vartokite standartinę išraišką:

Kur ∆Treiškia temperatūros pokyčius. Tai lengva išsiaiškinti naudojant mūsų turimą informaciją: Reikalingas temperatūros pokytis yra 20 C, todėl likusi proceso dalis paprasčiausiai įterpia reikšmes ir apskaičiuoja:

Todėl visam procesui (t. Y. Ledo tirpimui ir vandens pašildymui) reikia:

Taigi didžioji energijos dalis gaunama lydant, o ne kaitinant. Atkreipkite dėmesį, kad šis skaičiavimas veikė tik todėl, kad vienetai buvo pastovūs - masė visada buvo kg ir energija buvo paversta kJ galutiniam papildymui - ir jūs visada turėtumėte tai patikrinti prieš bandydami a skaičiavimas.

Dabar įsivaizduokite, kad paėmėte 1 kg vandens 20 C temperatūroje pagal paskutinį pavyzdį ir norite jį paversti vandens garais. Pabandykite išspręsti šią problemą prieš skaitydami iš anksto, nes procesas iš esmės yra toks pats kaip anksčiau. Pirmiausia turite apskaičiuoti šilumos energijos kiekį, reikalingą vandeniui pasiekti iki virimo temperatūros, tada galite tęsti ir išsiaiškinti, kiek papildomos energijos reikia vandeniui išgarinti.

Pirmasis etapas yra toks pat kaip antrasis ankstesnio pavyzdžio etapas, išskyrus dabar ∆T= 80 C, nes skysto vandens virimo temperatūra yra 100 C. Taigi naudojant tą pačią lygtį gaunama:

Nuo to momento, kai buvo pridėta tiek daug energijos, likusi energijos dalis bus skirta skysčio garavimui, ir jūs turėsite jį apskaičiuoti naudodami kitą išraišką. Tai yra:

KurL​_v = 2256 kJ / kg skystam vandeniui. Pažymėdami, kad šiame pavyzdyje yra 1 kg vandens, galite apskaičiuoti:

Sudėjus abi proceso dalis, gaunama visa reikalinga šiluma:

Dar kartą atkreipkite dėmesį, kad didžioji dalis šilumos, naudojamos šiame procese (pvz., Tirpstant ledui), yra fazės, o ne įprasta kaitinimo stadija.