Фазовые переходы: типы, классификации, свойства и примеры (со схемой)

У всех есть воспоминания из того времени, когда они были детьми, и мороженое таяло неожиданно (и нежелательно). Может быть, вы были на пляже, пытаясь угнаться за потоками растаявшего мороженого, стекающими по вашим пальцам, но потом вся мерная ложка упала на песок. Может быть, вы слишком долго оставляли эскимо на солнце и вернулись в светящуюся лужу с сахарной водой. Каким бы ни был ваш опыт, большинство людей хорошо помнят что-то втвердая фазапереход кжидкая фаза, и последствия этого изменения.

Конечно, у физиков есть особый язык для описания этих фазовых переходов между различными состояниями материи. Неудивительно, что различные физические свойства материалов определяют их поведение, включая температуры, при которых они претерпевают фазовые изменения. Узнав, как вы рассчитываете энергию, используемую в этих фазовых изменениях, и немного о соответствующем физическом свойства имеют решающее значение для понимания всего, от таяния льда до более необычных процессов, таких как сублимация.

Большинство людей знакомы с тремя основными фазами вещества: твердым, жидким и газообразным. Однако существует также четвертое состояние материи, называемое плазмой, которое будет кратко описано позже в этой статье. Твердые тела легче всего понять; Вещество в твердом состоянии сохраняет свою форму и не сжимается в значительной степени.

Если взять воду в качестве примера, лед - это твердое состояние, и интуитивно понятно, что лед сломается раньше вас. смогли сжать его до меньшего объема, и даже тогда битый лед все равно будет объем. Вы также можете подумать о губке как о возможном контрпримере, но в этом случае, когда вы "сжимаете" ее, вы действительно просто удалив все воздушные отверстия, которые он содержит в своем естественном состоянии - фактическое твердое вещество не получает сжатый.

Жидкости принимают форму контейнера, в котором они находятся, но они несжимаемы так же, как твердые тела. Опять же, жидкая вода является прекрасным примером этого, потому что она так знакома: вы можете налить воду в любую формы контейнера, но вы не можете физически сжать его, чтобы он занимал меньший объем, чем в естественном государственный. С другой стороны, газы, такие как водяной пар, заполняют форму контейнера, в котором они находятся, но могут сжиматься.

Поведение каждого объясняется его атомной структурой. В твердом теле существует регулярное расположение атомов в решетке, поэтому оно образует кристаллическую структуру или, по крайней мере, аморфную массу, потому что атомы закреплены на месте. В жидкости молекулы или атомы могут свободно двигаться, но частично связаны водородными связями, поэтому она течет свободно, но имеет некоторую вязкость. В газе молекулы полностью разделены, без межмолекулярных сил, удерживающих их вместе, поэтому газ может расширяться и сжиматься намного более свободно, чем твердые тела или жидкости.

Когда вы добавляете тепло твердому веществу, оно увеличивает его температуру, пока не достигнет точки плавления, и на этом этапе все меняется. Тепловая энергия, которую вы добавляете при достижении точки плавления, не меняет температуру; он обеспечивает энергию для фазового перехода от твердой фазы к жидкой фазе, обычно называемой плавлением.

Уравнение, описывающее процесс плавления:

ГдеL​_ж скрытая теплота плавления материала,ммасса вещества иQдобавлено тепло. Как показывает уравнение, единицы скрытой теплоты - это энергия / масса или джоуль на кг, г или другая мера массы. Скрытую теплоту плавления иногда называют энтальпией плавления, а иногда просто скрытой теплотой плавления.

Для любого конкретного вещества - например, если вы конкретно рассматриваете таяние льда - существует определенная температура перехода, при которой это происходит. Для плавления льда в жидкую воду температура фазового перехода составляет 0 градусов Цельсия или 273,15 Кельвина. Вы можете найти скрытую теплоту плавления для многих распространенных материалов в Интернете (см. Ресурсы), но для льда она составляет 334 кДж / кг.

Тот же процесс, что и при плавлении, происходит при испарении вещества, за исключением того, что температура, при которой происходит фазовый переход, является точкой кипения вещества. Однако таким же образом дополнительная энергия, которую вы передаете веществу в этот момент, переходит в фазовый переход, в данном случае из жидкой фазы в газовую. Используемый здесь термин - это скрытая теплота испарения (или энтальпия испарения), но концепция в точности такая же, как и для скрытой теплоты плавления.

Уравнение также принимает такой же вид:

ГдеL​_v на этот раз - скрытая теплота испарения (таблицу значений для распространенных материалов см. в разделе Ресурсы). Опять же, существует определенная температура перехода для каждого вещества, причем жидкая вода претерпевает этот переход при 100 ° C или 373,15 Кельвина. Итак, если вы нагреваете определенную массумводы от комнатной температуры до точки кипения, а затем ее испарение, есть два этапа, чтобы расчет: энергия, необходимая для доведения его до 100 C, а затем энергия, необходимая для испарения Это.

Хотя фазовый переход от твердого тела к жидкости (т.е. плавление) и переход от жидкости к газу (испарение) являются наиболее часто встречающимися, существует много других переходов, которые могут произойти. В частности,сублимацияэто когда вещество претерпевает фазовый переход из твердой фазы непосредственно в газовую фазу.

Самый известный пример такого поведения - сухой лед, который на самом деле представляет собой твердый диоксид углерода. При комнатной температуре и атмосферном давлении он непосредственно сублимируется в углекислый газ, что делает его обычным выбором для театральных эффектов тумана.

Противоположностью сублимации являетсяосаждение, где газ претерпевает изменение состояния непосредственно в твердое тело. Это еще один тип фазового перехода, который редко обсуждается, но все же встречается в природе.

Давление оказывает большое влияние на температуру, при которой происходят фазовые переходы. При более высоком давлении точка испарения выше, а при более низком давлении она снижается. Вот почему вода закипает при более низкой температуре, когда вы находитесь на большей высоте, потому что давление ниже и, следовательно, температура кипения тоже. Это соотношение обычно демонстрируется на фазовой диаграмме, которая имеет оси для температуры и давления и линии, разделяющие твердую, жидкую и газовую фазы для рассматриваемого вещества.

Если вы внимательно посмотрите на фазовую диаграмму, вы заметите, что есть определенная точка, в которой вещество находится на пересечении всех трех основных фаз (то есть газовой, жидкой и твердой фаз). Это называетсятройная точка, или критическая точка для вещества, и это происходит при определенной критической температуре и критическом давлении.

Четвертое состояние вещества - плазма. Это немного отличается от других состояний вещества, потому что технически это газ, который был ионизирован (т. Е. Были удалены электроны поэтому составляющие атомы имеют общий электрический заряд), и поэтому у него нет фазового перехода, как в других состояниях иметь значение.

Однако его поведение очень отличается от типичного газа, потому что, хотя он может считаться электрически «квазинейтральным» (поскольку в газе одинаковое количество протонов и электронов)весьплазма), есть очаги концентрированного заряда и возникающие токи. Плазма также реагирует на электрические и магнитные поля в отличие от обычного газа.

Одним из наиболее известных способов описания переходов между различными фазами является система классификации Эренфеста, который расщепляет переходы на фазовые переходы первого и второго рода, а современная система сильно основана на это. «Порядок» перехода относится к производной низшего порядка термодинамической свободной энергии, которая показывает разрыв. Например, переходы между твердыми телами, жидкостями и газами являются фазовыми переходами первого рода, поскольку скрытая теплота создает разрыв в производной свободной энергии.

Фазовый переход второго рода имеет разрыв во второй производной свободной энергии: но в процессе нет скрытой теплоты, поэтому они считаются непрерывными фазами переходы. Примеры включают переход в сверхпроводимость (то есть точку, в которой что-то становится сверхпроводником) и ферромагнитный фазовый переход (как описано в модели Изинга).

Теория Ландау используется для описания поведения системы, особенно вокруг критической точки. Вообще говоря, существует нарушение симметрии при температуре фазового перехода, и это особенно полезно при описывающий переходы в жидких кристаллах, причем высокотемпературная фаза содержит больше симметрий, чем низкотемпературная фаза.

Предположим, у вас есть 1-килограммовый блок льда при температуре 0 ° C, и вы хотите растопить лед и поднять температуру до 20 ° C, что немного выше стандартной комнатной температуры. Как упоминалось ранее, любое вычисление, подобное этому, состоит из двух частей: Вам необходимо вычислить фазу. измените, а затем используйте обычный подход для расчета энергии, необходимой для повышения температуры на указанный количество.

Скрытая теплота плавления для водяного льда составляет 334 кДж / кг, поэтому, используя уравнение, приведенное ранее:

Таким образом, на таяние льда, а именно 1 кг, требуется 334 килоджоулей энергии. Конечно, если вы работаете с большим или меньшим количеством льда, 1 кг будет просто заменен соответствующим значением.

Теперь, когда эта энергия была передана льду, он изменит фазу.новсе еще при температуре 0 ° C. Чтобы рассчитать количество тепла, которое вам нужно добавить для повышения температуры до 20 C, вам просто нужно найти удельную теплоемкость воды (C= 4 182 Дж / кг ° C) и используйте стандартное выражение:

Где ∆Тобозначает изменение температуры. Это легко решить с помощью имеющейся у нас информации: необходимое изменение температуры составляет 20 ° C, поэтому оставшаяся часть процесса просто вставляет значения и вычисляет:

Таким образом, весь процесс (т. Е. Таяние льда и нагрев воды) требует:

Таким образом, большая часть энергии поступает от процесса плавления, а не от нагрева. Обратите внимание, что этот расчет сработал только потому, что единицы были едины во всем - масса всегда была в кг, и энергия была преобразована в кДж для окончательного добавления - и вы всегда должны проверять это, прежде чем пытаться расчет.

Теперь представьте, что вы берете 1 кг воды при 20 ° C из последнего примера и хотите превратить его в водяной пар. Попытайтесь решить эту проблему, прежде чем читать дальше, потому что процесс, по сути, такой же, как и раньше. Сначала вам нужно рассчитать количество тепловой энергии, необходимое для доведения воды до точки кипения, а затем вы можете продолжить и вычислить, сколько дополнительной энергии необходимо для испарения воды.

Первый этап аналогичен второму этапу предыдущего примера, за исключением того, что теперь ∆Т= 80 C, так как температура кипения жидкой воды составляет 100 C. Таким образом, использование того же уравнения дает:

С того момента, как было добавлено столько энергии, оставшаяся часть энергии пойдет на испарение жидкости, и вам нужно будет вычислить ее, используя другое выражение. Это:

ГдеL​_v = 2256 кДж / кг для жидкой воды. Заметив, что в этом примере 1 кг воды, вы можете рассчитать:

Сложение обеих частей процесса вместе дает общее необходимое количество тепла:

Еще раз обратите внимание, что подавляющая часть тепловой энергии, используемой в этом процессе (например, при таянии льда), приходится на фазовый переход, а не на обычную стадию нагрева.