Fāžu pārejas: veidi, klasifikācijas, īpašības un piemēri (ar diagrammu)

Ikvienam ir atmiņa kopš bērnības un negaidīti (un nevēlami) izkusis saldējums. Varbūt jūs bijāt pludmalē un mēģinājāt sekot līdzi izkusušā saldējuma straumēm, kas tek pa pirkstiem, bet tad visa liekšķere nokrita smiltīs. Varbūt jūs pārāk ilgi atstājāt sīpolu saulē un atgriezāties pie gaismas krāsas peļķes ar saldu ūdeni. Neatkarīgi no jūsu pieredzes, lielākajai daļai cilvēku ir kāda skaidra atmiņa par kaut kocietā fāzepāreja uzšķidrā fāze, un šo izmaiņu sekas.

Protams, fiziķiem ir noteikta valoda, lai aprakstītu šīs fāzes izmaiņas starp dažādiem matērijas stāvokļiem. Nevajadzētu pārsteigt, ka materiālu izturēšanās, ieskaitot temperatūru, kurā notiek fāzes izmaiņas, nosaka materiālu atšķirīgās fizikālās īpašības. Uzzinot, kā aprēķināt šajās fāzēs izlietoto enerģiju, un mazliet par attiecīgo fizisko īpašības ir izšķirošas, lai saprastu visu, sākot no ledus kušanas līdz neparastākiem procesiem, piemēram, sublimācija.

Lielākajai daļai cilvēku ir zināmas trīs galvenās matērijas fāzes: cietā, šķidrā un gāzes. Tomēr ir arī ceturtais matērijas stāvoklis, ko sauc par plazmu, un tas tiks īsumā aprakstīts vēlāk šajā rakstā. Cietās vielas ir visvieglāk saprotamas; matērija cietā stāvoklī saglabā savu formu un nav ievērojami saspiežama.

Izmantojot ūdeni kā piemēru, ledus ir cietais stāvoklis, un ir intuitīvi skaidrs, ka pirms jums ledus plīsīs spēja to saspiest mazākā tilpumā, un arī tad salauztais ledus tik un tā aizņemtu to pašu skaļums. Jūs varētu arī domāt par sūkli kā iespējamu pretpiemēru, bet tādā gadījumā, kad jūs to "saspiežat", jūs patiešām esat vienkārši noņemot visus gaisa caurumus, kas tajā ir dabiskā stāvoklī - faktiskā cietā viela nesaņem saspiests.

Šķidrumi iegūst tvertnes formu, kurā tie atrodas, bet tie nav saspiesti tāpat kā cietās vielas. Atkal šķidrais ūdens ir ideāls piemērs tam, jo ​​tas ir tik pazīstams: ūdeni var ievietot jebkurā konteinera forma, taču to nevar fiziski saspiest, lai tas aizņemtu mazāk tilpuma nekā dabiskā veidā Valsts. Savukārt gāzes, piemēram, ūdens tvaiki, aizpilda tvertnes formu, kurā atrodas, bet tās var saspiest.

Katra cilvēka rīcību izskaidro tā atomu struktūra. Cietā vielā ir regulārs atomu režģa izvietojums, tāpēc tas veido kristāla struktūru vai vismaz amorfu masu, jo atomi ir fiksēti savā vietā. Šķidrumā molekulas vai atomi var brīvi pārvietoties, bet ir daļēji saistīti ar ūdeņraža saiti, tāpēc tas plūst brīvi, bet tam ir zināma viskozitāte. Gāzē molekulas ir pilnībā atdalītas, bez starpmolekulāriem spēkiem tās netur kopā, tāpēc gāze var izplesties un saspiesties daudz brīvāk nekā vai nu cietas vielas, vai šķidrumi.

Pievienojot cietai daļai siltumu, tā paaugstina temperatūru, līdz tā sasniedz kušanas temperatūru, šajā posmā viss mainās. Siltuma enerģija, ko pievienojat, kad atrodaties kušanas temperatūrā, nemaina temperatūru; tas nodrošina enerģiju fāzes pārejai no cietās fāzes uz šķidro fāzi, ko parasti sauc par kausēšanu.

Kausēšanas procesu raksturojošais vienādojums ir šāds:

KurL​_f ir materiāla latentais kodolsintēzes siltums,mir vielas masa unJir pievienotā siltums. Kā rāda vienādojums, latentā siltuma vienības ir enerģija / masa vai džouli uz kg, g vai cits masas mērs. Latentu kodolsintēzes siltumu dažreiz sauc par kodolsintēzes entalpiju vai dažreiz tikai par latento kušanas siltumu.

Jebkurai konkrētai vielai, piemēram, ja skatāties tieši uz ledus kušanu, ir noteikta pārejas temperatūra, kurā tā notiek. Ledus kausēšanai šķidrā ūdenī fāzes pārejas temperatūra ir 0 grādi pēc Celsija vai 273,15 Kelvina. Jūs varat tiešsaistē meklēt daudzu izplatītu materiālu latento kodolsintēzes karstumu (skatīt resursus), bet ledus tas ir 334 kJ / kg.

Tas pats process, kas notiek kušanas gadījumā, notiek vielas iztvaicēšana, izņemot to, ka temperatūra, kurā notiek fāžu pāreja, ir vielas viršanas temperatūra. Tomēr tādā pašā veidā papildu enerģija, ko jūs šajā brīdī piešķirat vielai, nonāk fāzes pārejā, šajā gadījumā no šķidrās fāzes uz gāzes fāzi. Šeit lietotais termins ir latentais iztvaikošanas siltums (vai iztvaikošanas entalpija), bet jēdziens ir tieši tāds pats kā latentā saplūšanas siltuma gadījumā.

Vienādojumam ir arī tāda pati forma:

KurL​_v šis laiks ir latentais iztvaikošanas siltums (parasto materiālu vērtību tabulu skatiet resursos). Katrai vielai atkal ir noteikta pārejas temperatūra, un šķidrajam ūdenim šī pāreja notiek 100 C vai 373,15 Kelvin. Tātad, ja jūs sildāt noteiktu masumūdens no istabas temperatūras līdz vārīšanās temperatūrai un pēc tam to iztvaicējot, ir divas pakāpes aprēķins: enerģija, kas nepieciešama, lai to sasildītu līdz 100 C, un pēc tam enerģija, kas vajadzīga iztvaikošanai to.

Lai gan fāzu pāreja no cietas uz šķidrumu (t.i., kausēšana) un pāreja no šķidruma uz gāzi (iztvaikošana) ir visbiežāk sastopama, var notikt arī daudzas citas pārejas. It īpaši,sublimācijair tad, kad vielai notiek fāzes pāreja no cietās fāzes tieši gāzveida fāzē.

Vispazīstamākais šīs uzvedības piemērs ir sausais ledus, kas faktiski ir cietais oglekļa dioksīds. Istabas temperatūrā un atmosfēras spiedienā tas sublimējas tieši oglekļa dioksīda gāzē, un tas padara to par parastu izvēli teātra miglas efektiem.

Sublimācijas pretstats irnogulsnēšanās, kur gāzei notiek stāvokļa maiņa tieši par cietu vielu. Tas ir vēl viens fāzes pārejas veids, kas tiek apspriests retāk, bet tomēr notiek dabā.

Spiedienam ir liela ietekme uz temperatūru, kurā notiek fāzes pārejas. Pie augstāka spiediena iztvaikošanas punkts ir augstāks, un pie zemāka spiediena tas samazinās. Tāpēc ūdens vārās zemākā temperatūrā, kad atrodaties augstāk, jo spiediens ir mazāks un līdz ar to arī viršanas temperatūra. Šī saistība parasti tiek parādīta fāžu diagrammā, kurā ir temperatūras un spiediena asis un līnijas, kas atdala cietās, šķidrās un gāzes fāzes attiecīgajai vielai.

Rūpīgi aplūkojot fāžu diagrammu, pamanīsit, ka ir īpašs punkts, kurā viela atrodas visu trīs galveno fāžu (t.i., gāzes, šķidruma un cietās fāzes) krustpunktā. To sauc partrīskāršais punkts, vai vielas kritiskais punkts, un tas notiek noteiktā kritiskā temperatūrā un kritiskā spiedienā.

Ceturtais matērijas stāvoklis ir plazma. Tas nedaudz atšķiras no citiem matērijas stāvokļiem, jo ​​tā tehniski ir gāze, kas ir jonizēta (t.i., vai elektroni ir atdalīti) tā sastāvā esošajiem atomiem ir tīrs elektriskais lādiņš), un tāpēc tam nav fāzes pārejas tāpat kā pārējiem jautājums.

Tomēr tā uzvedība ir ļoti atšķirīga no tipiskas gāzes, jo, lai gan to var uzskatīt par elektriski “gandrīz neitrālu” (joveselsplazma), ir koncentrēta lādiņa un no tā izrietošo strāvu kabatas. Plazmas arī reaģē uz elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem tā, kā to nedarītu tipiska gāze.

Viens no vispazīstamākajiem veidiem, kā aprakstīt pārejas starp dažādām fāzēm, ir Ehrenfesta klasifikācijas sistēma, kas sadala pārejas pirmās kārtas un otrās kārtas fāzes pārejās, un mūsdienu sistēma ir stingri balstīta šo. Pārejas "kārtība" attiecas uz zemākās pakāpes termodinamiskās brīvās enerģijas atvasinājumu, kas parāda nepārtrauktību. Piemēram, pārejas starp cietajām vielām, šķidrumiem un gāzēm ir pirmās kārtas fāzes pārejas, jo latentais siltums rada brīvās enerģijas atvasinājuma nepārtrauktību.

Otrās kārtas fāzes pārejai ir pārtraukums brīvās enerģijas otrajā atvasinājumā, bet procesā nav iesaistīts latents siltums, tāpēc tos uzskata par nepārtrauktu fāzi pārejas. Piemēri ietver pāreju uz supravadītspēju (t.i. punktu, kurā kaut kas kļūst par supravadītāju) un feromagnētisko fāžu pāreju (kā aprakstīts Isinga modelī).

Landau teoriju izmanto, lai aprakstītu sistēmas uzvedību, it īpaši ap kritisko punktu. Vispārīgi runājot, fāzes pārejas temperatūrā notiek simetrijas pārtraukšana, un tas ir īpaši noderīgi aprakstot pārejas šķidros kristālos, kur augstas temperatūras fāze satur vairāk simetrijas nekā zemā temperatūra fāze.

Pieņemsim, ka jums ir 1 kg ledus bloks 0 C temperatūrā, un vēlaties ledu izkausēt un paaugstināt temperatūru līdz 20 C, nedaudz pārsniedzot istabas temperatūru. Kā minēts iepriekš, jebkuram šādam aprēķinam ir divas daļas: jums jāaprēķina fāze mainīt un pēc tam izmantot parasto pieeju, lai aprēķinātu enerģiju, kas nepieciešama temperatūras paaugstināšanai par norādīto summa.

Ūdens ledus latentais kodolsintēzes siltums ir 334 kJ / kg, tāpēc, izmantojot iepriekšējo vienādojumu:

Tātad ledus kušana, īpaši 1 kg, prasa 334 kilodžoulus enerģijas. Protams, ja jūs strādājat ar lielāku vai mazāku ledus daudzumu, 1 kg vienkārši aizstātu ar atbilstošo vērtību.

Tagad, kad šī enerģija būs pārnesta uz ledus, tā būs mainījusies fāzibetjoprojām jābūt 0 C temperatūrā. Lai aprēķinātu siltuma daudzumu, kas jums jāpievieno, lai paaugstinātu temperatūru līdz 20 C, jums vienkārši ir jāmeklē ūdens īpatnējā siltuma jauda (C= 4,182 J / kg ° C) un izmantojiet standarta izteicienu:

Kur ∆Tapzīmē temperatūras maiņu. To ir viegli apstrādāt, izmantojot mūsu rīcībā esošo informāciju: Nepieciešamās temperatūras izmaiņas ir 20 C, tāpēc atlikusī procesa daļa ir vienkārši vērtību ievietošana un aprēķināšana:

Tāpēc visam procesam (t.i., ledus kausēšanai un ūdens sildīšanai) ir nepieciešams:

Tātad lielākā enerģijas daļa rodas nevis kausēšanas, bet kausēšanas procesā. Ņemiet vērā, ka šis aprēķins strādāja tikai tāpēc, ka vienības visā bija vienādas - masa vienmēr bija kg un enerģija tika pārvērsta kJ, lai veiktu pēdējo pievienošanu - un tas vienmēr jāpārbauda, ​​pirms mēģināt a aprēķins.

Tagad iedomājieties, ka no pēdējā piemēra esat paņēmis 1 kg ūdens 20 C temperatūrā un vēlaties to pārveidot par ūdens tvaiku. Mēģiniet atrisināt šo problēmu pirms lasīšanas uz priekšu, jo process būtībā ir tāds pats kā iepriekš. Pirmkārt, jums jāaprēķina siltumenerģijas daudzums, kas vajadzīgs, lai ūdens nonāktu līdz vārīšanās temperatūrai, un pēc tam jūs varat turpināt un izpētīt, cik daudz papildu enerģijas nepieciešams ūdens iztvaikošanai.

Pirmais posms ir gluži kā iepriekšējā posma otrais posms, izņemot tagad ∆T= 80 C, jo šķidrā ūdens viršanas temperatūra ir 100 C. Tātad, izmantojot to pašu vienādojumu, iegūst:

No brīža, kad tik daudz enerģijas ir pievienots, atlikusī enerģija tiks iztvaicēta šķidrumā, un jums tas būs jāaprēķina, izmantojot citu izteiksmi. Tas ir:

KurL​_v = 2256 kJ / kg šķidrajam ūdenim. Ievērojot, ka šajā piemērā ir 1 kg ūdens, varat aprēķināt:

Pievienojot abas procesa daļas, tiek iegūts kopējais nepieciešamais siltums:

Vēlreiz ņemiet vērā, ka lielākā daļa šajā procesā izmantotās siltumenerģijas (piemēram, ledus kušanas gadījumā) ir fāzes pārejā, nevis parastajā sildīšanas posmā.