Tranziții de fază: tipuri, clasificări, proprietăți și exemple (cu diagramă)

Toată lumea are o amintire de când era copil și a avut înghețată topită în mod neașteptat (și nedorit). Poate că ați fost pe plajă, încercând să țineți pasul cu fluxurile de înghețată topită care vă curgeau pe degete, dar apoi întreaga lingură a căzut în nisip. Poate ai lăsat prea mult timp un soi de gheață în soare și te-ai întors la o băltoacă de apă luminoasă, de culoare luminoasă. Indiferent de experiența dvs., majoritatea oamenilor au o memorie clară a ceva dinfază solidătrecerea lafaza lichidăși consecințele acestei schimbări.

Desigur, fizicienii au un limbaj specific pentru a descrie aceste schimbări de fază între diferite stări ale materiei. Nu ar trebui să fie o surpriză faptul că diferitele proprietăți fizice ale materialelor guvernează modul în care se comportă, inclusiv temperaturile la care suferă modificări de fază. Aflați cum calculați energia consumată în aceste modificări de fază și un pic despre fizicul relevant proprietățile sunt cruciale pentru a înțelege totul, de la topirea gheții până la procese mai neobișnuite, cum ar fi sublimare.

Majoritatea oamenilor sunt familiarizați cu cele trei faze principale ale materiei: solid, lichid și gazos. Cu toate acestea, există și a patra stare a materiei numită plasmă, care va fi descrisă pe scurt mai târziu în acest articol. Solidele sunt cele mai ușor de înțeles; materia în stare solidă își păstrează forma și nu este compresibilă într-un grad notabil.

Folosind apa ca exemplu, gheața este starea solidă și este clar în mod intuitiv că gheața s-ar sparge înaintea ta au reușit să o comprime într-un volum mai mic și chiar și atunci gheața spartă ar lua în continuare același lucru volum. S-ar putea să vă gândiți și la un burete ca la un posibil contra-exemplu, dar în acest caz, când îl „comprimați”, sunteți cu adevărat doar eliminând toate găurile de aer pe care le conține în starea sa naturală - materia solidă reală nu se obține comprimat.

Lichidele iau forma recipientului în care se află, dar sunt incompresibile în același mod ca și solidele. Din nou, apa lichidă este exemplul perfect pentru că este atât de familiar: puteți pune apă în oricare forma containerului, dar nu îl puteți comprima fizic pentru a ocupa mai puțin volum decât în ​​mod natural stat. Gazele precum vaporii de apă, pe de altă parte, umplu forma recipientului în care se află, dar pot fi comprimate.

Comportamentul fiecăruia se explică prin structura sa atomică. Într-un solid, există un aranjament de rețea regulat al atomilor, deci formează o structură cristalină sau cel puțin o masă amorfă, deoarece atomii sunt fixați la locul lor. Într-un lichid, moleculele sau atomii sunt liberi să se miște, dar sunt parțial conectați prin legarea hidrogenului, deci curge liber, dar are o anumită vâscozitate. Într-un gaz, moleculele sunt complet separate, fără forțe intermoleculare care să le mențină împreună, motiv pentru care un gaz se poate extinde și comprima mult mai liber decât fie solidele, fie lichidele.

Când adăugați căldură unui solid, acesta își mărește temperatura până când atinge punctul de topire, moment în care lucrurile se schimbă. Energia termică pe care o adăugați după ce ați ajuns la punctul de topire nu modifică temperatura; furnizează energie pentru tranziția fazei de la faza solidă la faza lichidă, denumită în mod obișnuit topire.

Ecuația care descrie procesul de topire este:

UndeL​_f este căldura latentă de fuziune pentru material,meste masa substanței șiÎeste căldura adăugată. După cum arată ecuația, unitățile de căldură latentă sunt energie / masă sau jouli pe kg, g sau altă măsură de masă. Căldura latentă de fuziune este uneori numită entalpia fuziunii sau, uneori, doar căldura latentă de topire.

Pentru orice substanță specifică - de exemplu, dacă vă uitați în mod special la topirea gheții - există o temperatură de tranziție specifică la care se produce aceasta. Pentru topirea gheții în apă lichidă, temperatura de tranziție a fazei este de 0 grade Celsius sau 273,15 Kelvin. Puteți căuta căldura latentă de fuziune pentru multe materiale obișnuite online (consultați Resurse), dar pentru gheață este de 334 kJ / kg.

Același proces ca și pentru topire se întâmplă atunci când vaporizați o substanță, cu excepția faptului că temperatura la care are loc tranziția de fază este punctul de fierbere al substanței. În același mod, însă, energia suplimentară pe care o dați substanței în acest moment intră în tranziția de fază, în acest caz de la faza lichidă la faza gazoasă. Termenul folosit aici este căldura latentă de vaporizare (sau entalpia vaporizării), dar conceptul este exact același ca și pentru căldura latentă de fuziune.

Ecuația ia, de asemenea, aceeași formă:

UndeL​_v de data aceasta este căldura latentă de vaporizare (vezi Resurse pentru un tabel de valori pentru materialele comune). Din nou, există o temperatură de tranziție specifică pentru fiecare substanță, apa lichidă fiind supusă acestei tranziții la 100 C sau 373,15 Kelvin. Deci, dacă încălzești o anumită masămde apă de la temperatura camerei până la punctul de fierbere și apoi evaporarea ei, există două etape până la calculul: energia necesară pentru a-l aduce la 100 C, apoi energia necesară vaporizării aceasta.

Deși tranziția de fază de la solid la lichid (adică topirea) și cea de la lichid la gaz (vaporizare) sunt cele mai frecvent întâlnite, există multe alte tranziții care pot avea loc. În special,sublimareeste atunci când o substanță suferă o tranziție de fază de la o fază solidă direct la o fază gazoasă.

Cel mai cunoscut exemplu al acestui comportament este în gheața uscată, care este de fapt dioxid de carbon solid. La temperatura camerei și presiunea atmosferică, se sublimează direct în dioxid de carbon gazos, ceea ce îl face o alegere obișnuită pentru efectele de ceață teatrală.

Opusul sublimării estedepunere, unde un gaz suferă o schimbare de stare direct într-un solid. Acesta este un alt tip de tranziție de fază care este discutat mai puțin frecvent, dar care are loc în natură.

Presiunea are un impact mare asupra temperaturii la care au loc tranzițiile de fază. La o presiune mai mare, punctul de vaporizare este mai mare și se reduce la presiuni mai mici. Acesta este motivul pentru care apa fierbe la o temperatură mai scăzută atunci când sunteți la altitudine mai mare, deoarece presiunea este mai mică și, prin urmare, punctul de fierbere este și el. Această relație este de obicei demonstrată într-o diagramă de fază, care are axe pentru temperatură și presiune, și linii care separă fazele solide, lichide și gazoase pentru substanța în cauză.

Dacă priviți cu atenție o diagramă de fază, veți observa că există un punct specific în care substanța se află la intersecția celor trei faze majore (adică faza gazoasă, lichidă și solidă). Aceasta se numeștepunct triplu, sau punctul critic pentru substanță și apare la o temperatură critică specifică și la o presiune critică.

A patra stare a materiei este plasma. Acest lucru este puțin diferit de celelalte stări ale materiei, deoarece este tehnic un gaz care a fost ionizat (adică a fost îndepărtat electronii deci atomii constitutivi au o sarcină electrică netă), și astfel nu are o tranziție de fază în același mod ca și celelalte stări de contează.

Comportamentul său este foarte diferit de un gaz tipic, deși, deși poate fi considerat electric „cvasi-neutru” (deoarece există un număr egal de protoni și electroni înîntregplasmă), există buzunare de încărcare concentrată și curenți rezultați. Plasmele răspund, de asemenea, la câmpurile electrice și magnetice într-un mod în care un gaz tipic nu ar fi.

Una dintre cele mai cunoscute modalități de a descrie tranzițiile între diferite faze este sistemul de clasificare Ehrenfest, care împarte tranzițiile în tranziții de fază de ordinul unu și de ordinul doi, iar sistemul modern se bazează puternic pe acest. „Ordinea” tranziției se referă la derivatul de ordinul cel mai mic al energiei libere termodinamice care arată o discontinuitate. De exemplu, tranzițiile dintre solide, lichide și gaze sunt tranziții de fază de ordinul întâi, deoarece căldura latentă creează o discontinuitate în derivatul de energie liberă.

O tranziție de fază de ordinul doi are o discontinuitate în a doua derivată a energiei libere, dar nu există căldură latentă implicată în proces, deci sunt considerate faze continue tranziții. Exemplele includ tranziția la superconductivitate (adică punctul în care ceva devine superconductor) și tranziția de fază feromagnetică (așa cum este descris de modelul Ising).

Teoria Landau este utilizată pentru a descrie comportamentul unui sistem, în special în jurul unui punct critic. În general vorbind, există o rupere a simetriei la temperatura de tranziție a fazei și acest lucru este deosebit de util la descrierea tranzițiilor în cristale lichide, cu faza de temperatură ridicată conținând mai multe simetrii decât temperatura scăzută fază.

Să presupunem că aveți un bloc de gheață de 1 kg la 0 C și doriți să topiți gheața și să ridicați temperatura la 20 C, puțin peste temperatura camerei standard. După cum sa menționat anterior, există două părți pentru orice calcul de genul acesta: Trebuie să calculați faza schimbați și apoi utilizați abordarea obișnuită pentru a calcula energia necesară pentru a crește temperatura cu cea specificată Cantitate.

Căldura latentă de fuziune pentru gheața de apă este de 334 kJ / kg, deci folosind ecuația de mai devreme:

Deci, topirea gheții, în special 1 kg, necesită 334 kilojuli de energie. Desigur, dacă ați lucra cu o cantitate mai mare sau mai mică de gheață, 1 kg ar fi pur și simplu înlocuit cu valoarea corespunzătoare.

Acum, când această energie a fost transferată pe gheață, ea s-ar fi schimbat de fazădarîncă să fie la temperatura de 0 C. Pentru a calcula cantitatea de căldură pe care ar trebui să o adăugați pentru a crește temperatura la 20 C, trebuie pur și simplu să căutați capacitatea specifică de căldură a apei (C= 4.182 J / kg ° C) și utilizați expresia standard:

Unde ∆Tînseamnă schimbarea temperaturii. Acest lucru este ușor de rezolvat cu informațiile pe care le avem: Schimbarea temperaturii necesare este de 20 C, astfel încât restul procesului este pur și simplu inserarea valorilor și calcularea:

Prin urmare, întregul proces (adică topirea gheții și încălzirea apei) necesită:

Deci, cea mai mare parte a energiei provine din procesul de topire, mai degrabă decât din încălzire. Rețineți că acest calcul a funcționat doar deoarece unitățile au fost consistente pe tot parcursul - masa a fost întotdeauna în kg și energia a fost convertită în kJ pentru adăugarea finală - și ar trebui să verificați întotdeauna acest lucru înainte de a încerca un calcul.

Acum imaginați-vă că luați 1 kg de apă la 20 C din ultimul exemplu și doriți să o convertiți în vapori de apă. Încercați să rezolvați această problemă înainte de a citi înainte, deoarece procesul este în esență același ca înainte. Mai întâi, trebuie să calculați cantitatea de energie termică necesară pentru a aduce apa la punctul de fierbere și apoi puteți continua și afla cât de multă energie suplimentară este necesară pentru vaporizarea apei.

Prima etapă este la fel ca a doua etapă a exemplului anterior, cu excepția acum ∆T= 80 C, deoarece punctul de fierbere al apei lichide este de 100 C. Deci, folosind aceeași ecuație se obține:

Din momentul în care s-a adăugat atât de multă energie, restul energiei va ajunge la vaporizarea lichidului și va trebui să îl calculați folosind cealaltă expresie. Aceasta este:

UndeL​_v = 2256 kJ / kg pentru apă lichidă. Observând că există 1 kg de apă în acest exemplu, puteți calcula:

Adăugarea ambelor părți ale procesului împreună oferă căldura totală necesară:

Rețineți că marea majoritate a energiei termice utilizate în acest proces (cum ar fi topirea gheții) se află în tranziția de fază, nu în etapa obișnuită de încălzire.