Przejścia fazowe: typy, klasyfikacje, właściwości i przykłady (z diagramem)

Każdy ma wspomnienie z czasów, gdy był dzieckiem i gdy lody niespodziewanie (i niechcący) stopiły się. Może byłeś na plaży, próbując nadążyć za strumieniami roztopionych lodów spływających po palcach, ale potem cała gałka spadła na piasek. Może zbyt długo zostawiłeś loda na słońcu i wróciłeś do świetlistej kałuży słodkiej wody. Niezależnie od twojego doświadczenia, większość ludzi ma wyraźne wspomnienia czegoś wfaza stałaprzejście dofaza ciekłai konsekwencje tej zmiany.

Oczywiście fizycy posługują się specyficznym językiem do opisywania tych zmian fazowych między różnymi stanami materii. Nie powinno dziwić, że różne właściwości fizyczne materiałów decydują o ich zachowaniu, w tym temperaturach, w których przechodzą zmiany fazowe. Dowiedz się, jak obliczasz energię zużytą w tych zmianach fazowych i trochę o odpowiednich parametrach fizycznych właściwości mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia wszystkiego, od topnienia lodu po bardziej nietypowe procesy, takie jak sublimacja.

Większość ludzi zna trzy główne fazy materii: stałą, ciekłą i gazową. Istnieje jednak również czwarty stan skupienia zwany plazmą, który zostanie pokrótce opisany w dalszej części artykułu. Bryły są najłatwiejsze do zrozumienia; materia w stanie stałym zachowuje swój kształt i nie jest ściśliwa w znaczącym stopniu.

Na przykładzie wody lód jest w stanie stałym i jest intuicyjnie jasne, że lód pękłby przed tobą bylibyśmy w stanie skompresować go do mniejszej objętości, a nawet wtedy pokruszony lód nadal zajmowałby to samo Tom. Możesz również pomyśleć o gąbce jako możliwym kontrprzykładzie, ale w takim przypadku, gdy ją „ściśniesz”, naprawdę po prostu usuwając wszystkie otwory powietrzne, które zawiera w swoim naturalnym stanie – rzeczywista materia stała nie dostaje się sprężony.

Ciecze przybierają kształt pojemnika, w którym się znajdują, ale są nieściśliwe w taki sam sposób jak ciała stałe. Ponownie, woda w stanie ciekłym jest tego doskonałym przykładem, ponieważ jest tak znajoma: Wodę można wlać do dowolnego kształt pojemnika, ale nie można go fizycznie skompresować, aby zajmował mniej objętości niż w jego naturalnym stan. Z drugiej strony gazy, takie jak para wodna, wypełniają kształt pojemnika, w którym się znajdują, ale można je skompresować.

Zachowanie każdego wyjaśnia jego struktura atomowa. W ciele stałym występuje regularny sieciowy układ atomów, więc tworzy strukturę krystaliczną lub przynajmniej bezpostaciową masę, ponieważ atomy są nieruchome. W cieczy molekuły lub atomy mogą się swobodnie poruszać, ale są częściowo połączone wiązaniami wodorowymi, dzięki czemu płyną swobodnie, ale mają pewną lepkość. W gazie cząsteczki są całkowicie oddzielone, a żadne siły międzycząsteczkowe nie utrzymują ich razem, dlatego gaz może rozszerzać się i kompresować znacznie swobodniej niż ciała stałe lub ciecze.

Kiedy dodajesz ciepło do ciała stałego, zwiększa ono jego temperaturę, aż osiągnie punkt topnienia, na którym to etapie wszystko się zmienia. Energia cieplna, którą dodajesz, gdy jesteś w temperaturze topnienia, nie zmienia temperatury; dostarcza energię do przejścia fazowego z fazy stałej do fazy ciekłej, potocznie nazywanej topnieniem.

Równanie opisujące proces topienia to:

GdzieL​_fa jest utajonym ciepłem topnienia materiału,mjest masą substancji iQto ciepło dodane. Jak pokazuje równanie, jednostkami ciepła utajonego są energia/masa lub dżule na kg, g lub inna miara masy. Utajone ciepło topnienia jest czasami nazywane entalpią topnienia, a czasami po prostu utajonym ciepłem topnienia.

Dla każdej konkretnej substancji – na przykład, jeśli patrzysz konkretnie na topnienie lodu – istnieje konkretna temperatura przejściowa, w której to następuje. W przypadku topienia lodu w ciekłą wodę temperatura przejścia fazowego wynosi 0 stopni Celsjusza lub 273,15 Kelwina. Możesz sprawdzić ciepło utajone syntezy dla wielu popularnych materiałów online (patrz Zasoby), ale dla lodu jest to 334 kJ/kg.

Ten sam proces, co w przypadku topienia, ma miejsce podczas odparowywania substancji, z tym wyjątkiem, że temperatura, w której następuje przejście fazowe, jest temperaturą wrzenia substancji. W ten sam sposób jednak dodatkowa energia, którą dajesz substancji w tym momencie, przechodzi w przemianę fazową, w tym przypadku z fazy ciekłej w fazę gazową. Użyty tu termin to utajone ciepło parowania (lub entalpia parowania), ale koncepcja jest dokładnie taka sama, jak w przypadku utajonego ciepła topnienia.

Równanie przybiera tę samą postać:

GdzieL​_v tym razem jest to utajone ciepło parowania (patrz Zasoby dla tabeli wartości dla popularnych materiałów). Ponownie, dla każdej substancji istnieje określona temperatura przejścia, przy czym ciekła woda przechodzi tę przemianę w temperaturze 100 C lub 373,15 Kelvina. Więc jeśli podgrzewasz określoną masęmwody od temperatury pokojowej do temperatury wrzenia, a następnie jej odparowanie, są dwa etapy do obliczenia: energia wymagana do doprowadzenia go do 100 C, a następnie energia wymagana do odparowania to.

Chociaż przejście fazowe ze stanu stałego w ciecz (tj. topienie) i przejście ze stanu ciekłego w gaz (parowanie) są najczęściej spotykanymi przejściami, istnieje wiele innych przejść, które mogą wystąpić. W szczególności,sublimacjama miejsce, gdy substancja przechodzi przemianę fazową z fazy stałej bezpośrednio w fazę gazową.

Najbardziej znanym przykładem takiego zachowania jest suchy lód, który w rzeczywistości jest stałym dwutlenkiem węgla. W temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu atmosferycznym sublimuje bezpośrednio w dwutlenek węgla, co sprawia, że ​​jest często wybierany do teatralnych efektów mgły.

Przeciwieństwem sublimacji jestzeznanie, gdzie gaz przechodzi przemianę stanu bezpośrednio w ciało stałe. Jest to inny rodzaj przejścia fazowego, który jest rzadziej omawiany, ale nadal występuje w naturze.

Ciśnienie ma duży wpływ na temperaturę, w której zachodzą przemiany fazowe. Przy wyższym ciśnieniu temperatura parowania jest wyższa, a obniża się przy niższym ciśnieniu. To dlatego woda wrze w niższej temperaturze, gdy jesteś na większej wysokości, ponieważ ciśnienie jest niższe, a zatem również temperatura wrzenia. Ta zależność jest zwykle przedstawiana na diagramie fazowym, który ma osie temperatury i ciśnienia oraz linie oddzielające fazę stałą, ciekłą i gazową dla danej substancji.

Jeśli przyjrzysz się uważnie diagramowi fazowemu, zauważysz, że istnieje określony punkt, w którym substancja znajduje się na przecięciu wszystkich trzech głównych faz (tj. fazy gazowej, ciekłej i stałej). To się nazywapotrójny punkt, lub punkt krytyczny dla substancji i występuje w określonej temperaturze krytycznej i ciśnieniu krytycznym.

Czwartym stanem materii jest plazma. Różni się to nieco od innych stanów materii, ponieważ technicznie jest to gaz, który został zjonizowany (tj. pozbawiony elektronów więc atomy składowe mają ładunek elektryczny netto), a więc nie ma przejścia fazowego w taki sam sposób, jak inne stany materia.

Jego zachowanie jest jednak bardzo odmienne od typowego gazu, ponieważ można go uznać za elektrycznie „quasi-neutralny” (ponieważ wcałyplazma), istnieją kieszenie skoncentrowanego ładunku i wynikających z niego prądów. Plazma reaguje również na pola elektryczne i magnetyczne w sposób, w jaki nie zareagowałby typowy gaz.

Jednym z najbardziej znanych sposobów opisywania przejść między różnymi fazami jest system klasyfikacji Ehrenfest, który dzieli przejścia na przejścia fazowe pierwszego i drugiego rzędu, a nowoczesny system jest silnie oparty na to. „Porządek” przejścia odnosi się do pochodnej najniższego rzędu termodynamicznej energii swobodnej, która wykazuje nieciągłość. Na przykład przejścia między ciałami stałymi, cieczami i gazami są przejściami fazowymi pierwszego rzędu, ponieważ ciepło utajone tworzy nieciągłość w pochodnej energii swobodnej.

Przejście fazowe drugiego rzędu ma nieciągłość w drugiej pochodnej energii swobodnej, ale w procesie nie występuje ciepło utajone, więc uważa się je za fazę ciągłą przejścia. Przykłady obejmują przejście do nadprzewodnictwa (tj. punkt, w którym coś staje się nadprzewodnikiem) i ferromagnetyczne przejście fazowe (opisane w modelu Isinga).

Teoria Landaua służy do opisu zachowania systemu, szczególnie wokół punktu krytycznego. Ogólnie rzecz biorąc, w temperaturze przemiany fazowej dochodzi do łamania symetrii, co jest szczególnie przydatne przy opisujące przejścia w ciekłych kryształach, z fazą wysokotemperaturową zawierającą więcej symetrii niż niskotemperaturowa faza.

Załóżmy, że masz 1-kilogramowy blok lodu o temperaturze 0 C i chcesz go stopić i podnieść temperaturę do 20 C, nieco powyżej standardowej temperatury pokojowej. Jak wspomniano wcześniej, każde takie obliczenie składa się z dwóch części: Musisz obliczyć fazę zmień, a następnie użyj zwykłego podejścia do obliczenia energii potrzebnej do podniesienia temperatury o określoną ilość.

Utajone ciepło topnienia lodu wodnego wynosi 334 kJ/kg, więc korzystając z wcześniej podanego równania:

Tak więc topienie lodu, konkretnie 1 kg, wymaga 334 kilodżuli energii. Oczywiście, gdybyś pracował z większą lub mniejszą ilością lodu, 1 kg zostałby po prostu zastąpiony odpowiednią wartością.

Teraz, gdy ta energia zostanie przeniesiona do lodu, zmieni fazęalenadal mieć temperaturę 0 C. Aby obliczyć ilość ciepła, którą trzeba by było dodać, aby podnieść temperaturę do 20 C, wystarczy sprawdzić właściwą pojemność cieplną wody (do= 4,182 J/kg°C) i użyj standardowego wyrażenia:

GdzieToznacza zmianę temperatury. Łatwo to obliczyć na podstawie informacji, które posiadamy: Wymagana zmiana temperatury wynosi 20 C, więc pozostała część procesu to po prostu wstawienie wartości i obliczenie:

Cały proces (tj. topienie lodu i podgrzewanie wody) wymaga zatem:

Tak więc większość energii pochodzi z procesu topienia, a nie z ogrzewania. Zauważ, że to obliczenie zadziałało tylko dlatego, że jednostki były spójne w całym tekście – masa była zawsze w kg, i energia została przeliczona na kJ przed ostatecznym dodaniem – i zawsze należy to sprawdzić przed próbą a obliczenie.

Teraz wyobraź sobie, że bierzesz 1 kg wody o temperaturze 20 C z ostatniego przykładu i chcesz zamienić ją w parę wodną. Spróbuj rozwiązać ten problem, zanim zaczniesz czytać dalej, ponieważ proces jest zasadniczo taki sam jak poprzednio. Najpierw musisz obliczyć ilość energii cieplnej potrzebnej do doprowadzenia wody do temperatury wrzenia, a następnie możesz przejść do obliczenia, ile dodatkowej energii potrzeba do odparowania wody.

Pierwszy etap jest taki sam jak drugi etap z poprzedniego przykładu, tyle że teraz ∆T= 80 C, ponieważ temperatura wrzenia ciekłej wody wynosi 100 C. Zatem użycie tego samego równania daje:

Od momentu, w którym dodano tyle energii, pozostała część energii zostanie wykorzystana do odparowania cieczy i musisz ją obliczyć za pomocą innego wyrażenia. To jest:

GdzieL​_v = 2256 kJ/kg dla wody w stanie ciekłym. Zauważając, że w tym przykładzie jest 1 kg wody, możesz obliczyć:

Dodanie obu części procesu razem daje całkowite wymagane ciepło:

Zauważ ponownie, że zdecydowana większość energii cieplnej wykorzystywanej w tym procesie (jak w przypadku topnienia lodu) znajduje się w przemianie fazowej, a nie w zwykłym etapie ogrzewania.