Faseoverganger: Typer, klassifiseringer, egenskaper og eksempler (m / diagram)

Alle har et minne fra de var små og fikk iskrem til å smelte uventet (og uønsket). Kanskje du var på stranden og prøvde å holde tritt med strømmene med smeltet is som rant nedover fingrene, men så falt hele skjeen i sanden. Kanskje du la en popsicle ligge for lenge ute i solen og kom tilbake til en lysende sølepytt med sukkerholdig vann. Uansett hva du har opplevd, har folk flest klart minne om noe isolid faseovergang tilvæskefase, og konsekvensene av den endringen.

Naturligvis har fysikere et spesifikt språk for å beskrive disse faseendringene mellom forskjellige tilstandstilstander. Det bør ikke komme som en overraskelse at de forskjellige fysiske egenskapene til materialer styrer hvordan de oppfører seg, inkludert temperaturene de gjennomgår faseendringer i. Lære hvordan du beregner energien brukt opp i disse faseendringene og litt om det aktuelle fysiske egenskaper er avgjørende for å forstå alt fra smelting av is til mer uvanlige prosesser som sublimering.

De fleste er kjent med de tre hovedfasene i materie: fast stoff, væske og gass. Imidlertid er det også en fjerde tilstand av materie som kalles plasma, som vil bli beskrevet kort senere i denne artikkelen. Tørrstoffer er lettest å forstå; materie i fast tilstand holder sin form og er ikke komprimerbar i nevneverdig grad.

Ved å bruke vann som et eksempel, er is den faste tilstanden, og det er intuitivt klart at is ville knekke før deg var i stand til å komprimere det til et mindre volum, og selv da ville den ødelagte isen fortsatt ta det samme volum. Du kan også tenke på en svamp som et mulig moteksempel, men i så fall når du "komprimerer" den, er du virkelig bare å fjerne alle luftehullene som den inneholder i sin naturlige tilstand - det faktiske faste stoffet får ikke komprimert.

Væsker har form av beholderen de er i, men de er ukomprimerbare på samme måte som faste stoffer. Igjen, flytende vann er det perfekte eksemplet på dette fordi det er så kjent: Du kan putte vann i noe beholderens form, men du kan ikke fysisk komprimere den for å ta opp mindre volum enn den er naturlig stat. Gasser som vanndamp, derimot, fyller formen på beholderen de er i, men kan komprimeres.

Oppførselen til hver er forklart av sin atomstruktur. I et fast stoff er det et regelmessig gitterarrangement av atomer, så det danner en krystallstruktur eller i det minste en amorf masse fordi atomene er festet på plass. I en væske er molekylene eller atomene fri til å bevege seg, men er delvis forbundet gjennom hydrogenbinding, så den flyter fritt, men har noe viskositet. I en gass er molekylene fullstendig separert, uten intermolekylære krefter som holder dem sammen, og det er grunnen til at en gass kan ekspandere og komprimere mye mer fritt enn faste stoffer eller væsker.

Når du tilfører varme til et fast stoff, øker det temperaturen til det når smeltepunktet, på hvilket tidspunkt ting endrer seg. Varmenergien du tilfører når du er på smeltepunktet, endrer ikke temperaturen; det gir energi til faseovergangen fra den faste fasen til den flytende fasen, ofte kalt smelting.

Ligningen som beskriver prosessen med smelting er:

HvorL​_f er den latente fusjonsvarmen for materialet,mer massen av stoffet ogSpørsmåler varmen tilsatt. Som ligningen viser, er enhetene for latent varme energi / masse, eller joule per kg, g eller annet mål for massen. Den latente fusjonsvarmen kalles noen ganger fusjonens entalpi, eller noen ganger bare den latente smeltevarmen.

For et bestemt stoff - for eksempel hvis du ser spesifikt på smelting av is - er det en spesifikk overgangstemperatur der dette skjer. For smelting av is til flytende vann er faseovergangstemperaturen 0 grader Celsius eller 273,15 Kelvin. Du kan slå opp den latente fusjonsvarmen for mange vanlige materialer på nettet (se Ressurser), men for is er det 334 kJ / kg.

Den samme prosessen som for smelting skjer når du fordamper et stoff, bortsett fra at temperaturen der faseovergangen skjer er stoffets kokepunkt. På samme måte går imidlertid den ekstra energien du gir til stoffet på dette tidspunktet inn i faseovergangen, i dette tilfellet fra væskefasen til gassfasen. Begrepet som brukes her er den latente fordampningsvarmen (eller fordampningsenthalpien), men konseptet er nøyaktig det samme som for den latente fusjonsvarmen.

Ligningen har også samme form:

HvorL​_v denne gangen er den latente fordampningsvarmen (se Ressurser for en verditabell for vanlige materialer). Igjen er det en spesifikk overgangstemperatur for hvert stoff, med flytende vann som gjennomgår denne overgangen ved 100 C eller 373,15 Kelvin. Så hvis du varmer opp en viss massemvann fra romtemperatur til kokepunkt og deretter fordampe det, er det to trinn å beregningen: energien som kreves for å bringe den til 100 C, og deretter energien som kreves for å fordampe den.

Selv om faseovergangen fra fast til væske (dvs. smelting) og den fra væske til gass (fordamping) er de vanligste, er det mange andre overganger som kan oppstå. Spesielt,sublimeringer når et stoff gjennomgår en faseovergang fra en fast fase direkte til en gassfase.

Det mest kjente eksemplet på denne oppførselen er i tørris, som faktisk er fast karbondioksid. Ved romtemperatur og atmosfæretrykk sublimerer den direkte i karbondioksidgass, og dette gjør det til et vanlig valg for teatralske tåkeeffekter.

Det motsatte av sublimering eravsetning, hvor en gass gjennomgår en tilstandsendring direkte til et fast stoff. Dette er en annen type faseovergang som er mindre vanlig diskutert, men som fremdeles forekommer i naturen.

Trykket har stor innvirkning på temperaturen der faseovergangene forekommer. Ved et høyere trykk er fordampningspunktet høyere, og det reduseres ved lavere trykk. Dette er grunnen til at vann koker ved en lavere temperatur når du er høyere i høyden, fordi trykket er lavere og derfor er kokepunktet også. Dette forholdet blir vanligvis demonstrert i et fasediagram, som har akser for temperatur og trykk, og linjer som skiller de faste, væske- og gassfasene for det aktuelle stoffet.

Hvis du ser nøye på et fasediagram, vil du legge merke til at det er et spesifikt punkt der stoffet er i skjæringspunktet mellom alle tre hovedfasene (dvs. gass, væske og fast fase). Dette kallestredobbelt punkt, eller det kritiske punktet for stoffet, og det oppstår ved en spesifikk kritisk temperatur og et kritisk trykk.

Den fjerde tilstand av materie er plasma. Dette er litt forskjellig fra de andre tilstandene av materie, fordi det teknisk sett er en gass som er blitt ionisert (dvs. at elektroner ble fjernet slik at de inngående atomer har en netto elektrisk ladning), og at den ikke har en faseovergang på samme måte som de andre tilstandene i saken.

Dens oppførsel er imidlertid veldig forskjellig fra en typisk gass, for mens den kan betraktes som elektrisk "kvasianøytral" (fordi det er like mange protoner og elektroner ihelplasma), er det lommer med konsentrert ladning og resulterende strømmer. Plasmer reagerer også på elektriske og magnetiske felt på en måte som en typisk gass ikke ville.

En av de mest kjente måtene å beskrive overganger mellom forskjellige faser er Ehrenfest klassifiseringssystem, som deler overganger i førsteordens og andreordens faseoverganger, og det moderne systemet er sterkt basert på dette. "Ordenen" til overgangen refererer til den laveste ordens derivat av den termodynamiske frie energien som viser en diskontinuitet. For eksempel er overgangene mellom faste stoffer, væsker og gasser førsteordens faseoverganger fordi den latente varmen skaper en diskontinuitet i det frie energiderivatet.

En andre ordens faseovergang har en diskontinuitet i det andre derivatet av fri energi, men det er ingen latent varme involvert i prosessen, så de betraktes som kontinuerlig fase overganger. Eksempler inkluderer overgangen til superledningsevne (dvs. punktet der noe blir en superleder) og den ferromagnetiske faseovergangen (som beskrevet av Ising-modellen).

Landau teori brukes til å beskrive oppførselen til et system, spesielt rundt et kritisk punkt. Generelt sett brytes symmetri ved faseovergangstemperaturen, og dette er spesielt nyttig ved som beskriver overganger i flytende krystaller, med høy temperaturfase som inneholder flere symmetrier enn lav temperatur fase.

La oss anta at du har en 1 kg isblokk ved 0 C, og vil smelte isen og heve temperaturen til 20 C, litt over standard romtemperatur. Som nevnt tidligere, er det to deler til en hvilken som helst beregning: Du må beregne fasen endre og bruk deretter den vanlige tilnærmingen for å beregne energien som trengs for å øke temperaturen med den spesifiserte beløp.

Den latente fusjonsvarmen for vannis er 334 kJ / kg, så bruk ligningen fra tidligere:

Så det å smelte is, spesifikt 1 kg, tar 334 kilojoule energi. Selvfølgelig, hvis du jobbet med en større eller mindre mengde is, ville 1 kg ganske enkelt erstattes av riktig verdi.

Nå, når denne energien har blitt overført til isen, vil den ha endret fasemenfortsatt være på 0 ° C i temperatur. For å beregne mengden varme du trenger å legge til for å øke temperaturen til 20 C, trenger du bare å slå opp den spesifikke varmekapasiteten til vann (C= 4,182 J / kg ° C) og bruk standarduttrykket:

Hvor ∆Tstår for temperaturendringen. Dette er lett å trene med den informasjonen vi har: Temperaturendringen som trengs er 20 C, så resten av prosessen er ganske enkelt å sette inn verdiene og beregne:

Hele prosessen (dvs. smelting av is og oppvarming av vannet) krever derfor:

Så det meste av energien kommer fra smelteprosessen, i stedet for oppvarmingen. Merk at denne beregningen bare fungerte fordi enhetene var jevne gjennom hele tiden - massen var alltid i kg, og energien ble omgjort til kJ for det endelige tillegget - og du bør alltid sjekke dette før du prøver a beregning.

Tenk deg nå at du tar 1 kg vann ved 20 C fra det siste eksemplet, og vil omdanne det til vanndamp. Prøv å løse dette problemet før du leser videre, fordi prosessen egentlig er den samme som før. Først må du beregne mengden varmeenergi som kreves for å bringe vannet til kokepunktet, og deretter kan du fortsette og finne ut hvor mye ekstra energi som trengs for å fordampe vannet.

Den første fasen er akkurat som den andre fasen i forrige eksempel, bortsett fra nå ∆T= 80 C, siden kokepunktet for flytende vann er 100 C. Så å bruke samme ligning gir:

Fra det punktet hvor så mye energi er tilsatt, vil resten av energien gå til å fordampe væsken, og du må beregne den med det andre uttrykket. Dette er:

HvorL​_v = 2256 kJ / kg for flytende vann. Når du merker at det er 1 kg vann i dette eksemplet, kan du beregne:

Å legge til begge deler av prosessen sammen gir den totale varmen som kreves:

Merk igjen at det store flertallet av varmeenergien som brukes i denne prosessen (som med issmelting) er i faseovergangen, ikke det vanlige oppvarmingstrinnet.