Fázové prechody: typy, klasifikácie, vlastnosti a príklady (s diagramom)

Každý má spomienku na obdobie, keď bol dieťa, a nečakane (a nechcene) sa mu roztopila zmrzlina. Možno ste boli na pláži a snažili ste sa držať krok s prúdmi roztopenej zmrzliny, ktorá vám steká po prstoch, ale potom celá lopatka spadla do piesku. Možno ste príliš dlho nechali nanuk na slnku a vrátili ste sa k svetielkujúcej kaluži sladkej vody. Nech sú vaše skúsenosti akékoľvek, väčšina ľudí má jasnú spomienku na niečo vtuhá fázaprechod nakvapalná fázaa dôsledky tejto zmeny.

Fyzici majú samozrejme špecifický jazyk na opísanie týchto fázových zmien medzi rôznymi stavmi hmoty. Nemalo by byť prekvapením, že to, ako sa materiály správajú, ovplyvňujú rôzne fyzikálne vlastnosti materiálov vrátane teplôt, pri ktorých prechádzajú fázovými zmenami. Dozviete sa, ako vypočítate energiu spotrebovanú v týchto fázových zmenách a niečo o príslušnej fyzike vlastnosti je rozhodujúce pre pochopenie všetkého, od topenia ľadu až po neobvyklejšie procesy ako sublimácia.

Väčšina ľudí pozná tri hlavné fázy hmoty: tuhú, kvapalnú a plynnú. Existuje však aj štvrtý stav hmoty nazývaný plazma, ktorý bude v krátkosti popísaný neskôr v tomto článku. Pevné látky sú najľahšie pochopiteľné; hmota v tuhom stave drží svoj tvar a nie je pozoruhodne stlačiteľná.

Na príklade vody je ľad tuhý stav a je intuitívne zrejmé, že by sa ľad pred vami zlomil boli schopní stlačiť ho na menší objem a aj potom by rozbitý ľad zabral stále to isté objem. Ako možný protiklad by ste si tiež mohli predstaviť špongiu, ale v takom prípade, keď ju „komprimujete“, ste skutočne iba odstránenie všetkých vzduchových otvorov, ktoré obsahuje, v prirodzenom stave - skutočná tuhá látka sa nedostane stlačený.

Kvapaliny majú tvar nádoby, v ktorej sú, ale sú nestlačiteľné rovnako ako pevné látky. Dokonalým príkladom toho je opäť tekutá voda, pretože je taká známa: Do každej môžete dať vodu tvar nádoby, ale nemôžete ho fyzicky stlačiť, aby zabral menší objem ako v prirodzenom stave štát. Plyny ako vodná para naopak vyplňujú tvar nádoby, v ktorej sa nachádzajú, ale dajú sa stlačiť.

Chovanie každého z nich je vysvetlené jeho atómovou štruktúrou. V tuhej látke existuje pravidelné mriežkové usporiadanie atómov, takže vytvára kryštálovú štruktúru alebo aspoň amorfnú hmotu, pretože atómy sú upevnené na danom mieste. V kvapaline sa molekuly alebo atómy môžu voľne pohybovať, sú však čiastočne spojené vodíkovou väzbou, takže voľne prúdi, ale má určitú viskozitu. V plyne sú molekuly úplne oddelené bez toho, aby ich udržovali pohromade medzimolekulové sily, a preto môže plyn expandovať a stláčať oveľa voľnejšie ako pevné látky alebo kvapaliny.

Keď pridáte teplo k pevnej látke, zvyšuje jej teplotu, až kým nedosiahne svoj bod topenia, v ktorom štádiu sa veci menia. Tepelná energia, ktorú pridáte, akonáhle ste v bode topenia, nemení teplotu; poskytuje energiu pre fázový prechod z pevnej fázy do kvapalnej fázy, ktorá sa bežne nazýva tavenie.

Rovnica popisujúca proces tavenia je:

KdeĽ​_f je latentné teplo fúzie pre materiál,mje hmotnosť látky aQje pridané teplo. Ako ukazuje rovnica, jednotkami latentného tepla sú energia / hmotnosť alebo jouly na kg, g alebo iná miera hmotnosti. Latentné teplo fúzie sa niekedy nazýva entalpia fúzie alebo niekedy iba latentné teplo topenia.

Pre každú konkrétnu látku - napríklad ak sa konkrétne pozeráte na topenie ľadu - existuje konkrétna teplota prechodu, pri ktorej k tomu dôjde. Na roztavenie ľadu do kvapalnej vody je teplota fázového prechodu 0 stupňov Celzia alebo 273,15 Kelvina. Latentné teplo fúzie môžete vyhľadať u mnohých bežných materiálov online (pozri zdroje), ale pri ľade je to 334 kJ / kg.

Rovnaký proces ako pri tavení nastáva, keď látku odparíte, až na to, že teplota, pri ktorej dôjde k fázovému prechodu, je teplotou varu látky. Rovnakým spôsobom však dodatočná energia, ktorú dáte látke v tomto bode, prechádza do fázového prechodu, v tomto prípade z kvapalnej fázy do plynnej fázy. Pojem, ktorý sa tu používa, je latentné teplo odparovania (alebo entalpia odparovania), ale koncept je úplne rovnaký ako pre latentné teplo fúzie.

Rovnica má tiež rovnakú podobu:

KdeĽ​_v tentokrát ide o latentné teplo odparovania (tabuľku hodnôt pre bežné materiály nájdete v časti Zdroje). Opäť platí, že pre každú látku existuje špecifická teplota prechodu, pričom kvapalná voda prechádza týmto prechodom pri 100 ° C alebo 373,15 Kelvina. Takže ak ohrievate určitú hmotumvody z izbovej teploty na teplotu varu a potom ju odpariť, existujú dva stupne výpočet: energia potrebná na jej uvedenie na 100 ° C a potom energia potrebná na odparenie to.

Aj keď sa najčastejšie stretávame s fázovým prechodom z pevnej látky na kvapalnú (t. J. Topením) a fázovou premenou z kvapalnej na plynnú (odparujúcu sa), môže dôjsť k mnohým ďalším prechodom. Najmäsublimáciaje, keď látka prechádza fázovým prechodom z pevnej fázy priamo do plynnej fázy.

Najznámejší príklad tohto správania je suchý ľad, ktorým je v skutočnosti tuhý oxid uhličitý. Pri izbovej teplote a atmosférickom tlaku sublimuje priamo do plynu oxidu uhličitého, čo z neho robí bežnú voľbu pre divadelné hmlové efekty.

Opakom sublimácie jedepozícia, kde plyn prechádza zmenou skupenstva priamo na tuhú látku. Toto je ďalší typ fázového prechodu, o ktorom sa diskutuje menej často, ale v prírode sa stále vyskytuje.

Tlak má veľký vplyv na teplotu, pri ktorej dochádza k fázovým prechodom. Pri vyššom tlaku je bod odparovania vyšší a pri nižších tlakoch klesá. To je dôvod, prečo voda vrie pri nižšej teplote, keď ste vyššie v nadmorskej výške, pretože tlak je nižší a teda aj teplota varu. Tento vzťah sa zvyčajne preukazuje vo fázovom diagrame, ktorý obsahuje osi pre teplotu a tlak a čiary oddeľujúce pevnú, kvapalnú a plynnú fázu pre príslušnú látku.

Ak sa pozorne pozriete na fázový diagram, všimnete si, že existuje konkrétny bod, v ktorom sa látka nachádza na priesečníku všetkých troch hlavných fáz (tj. Plynnej, kvapalnej a pevnej fázy). Toto sa nazývatrojitý bodalebo kritický bod pre látku a vyskytuje sa pri konkrétnej kritickej teplote a kritickom tlaku.

Štvrtým stavom hmoty je plazma. Toto sa trochu líši od ostatných stavov hmoty, pretože technicky ide o plyn, ktorý bol ionizovaný (t. J. Odstránené elektróny). atómy jednotlivých zložiek majú čistý elektrický náboj) a teda nemajú fázový prechod rovnakým spôsobom ako ostatné stavy na čom záleží.

Jeho chovanie je však veľmi odlišné od typického plynu, pretože ho možno považovať za elektricky „kvázi neutrálny“ (pretože v tele je rovnaký počet protónov a elektrónov).celýplazma), existujú vrecká koncentrovaného náboja a výsledných prúdov. Plazmy tiež reagujú na elektrické a magnetické polia spôsobom, ktorý by bežný plyn nereagoval.

Jedným z najznámejších spôsobov popisu prechodov medzi rôznymi fázami je Ehrenfestov klasifikačný systém, ktorý rozdeľuje prechody na fázové prechody prvého a druhého rádu a moderný systém je na nich silne založený toto. „Poradie“ prechodu sa týka derivácie termodynamickej voľnej energie najnižšieho rádu, ktorá vykazuje diskontinuitu. Napríklad prechody medzi pevnými látkami, kvapalinami a plynmi sú fázovými prechodmi prvého rádu, pretože latentné teplo vytvára diskontinuitu vo deriváte voľnej energie.

Fázový prechod druhého rádu má diskontinuitu v druhej derivácii voľnej energie, ale v procese nie je zapojené žiadne latentné teplo, takže sa považujú za spojitú fázu prechody. Medzi príklady patrí prechod na supravodivosť (t. J. Bod, v ktorom sa niečo stane supravodičom) a feromagnetický fázový prechod (ako to popisuje Isingov model).

Teória Landau sa používa na opis správania systému, najmä okolo kritického bodu. Všeobecne možno povedať, že pri teplote fázového prechodu dochádza k narušeniu symetrie, čo je obzvlášť užitočné pri teplote popisujúci prechody v tekutých kryštáloch, pričom vysokoteplotná fáza obsahuje viac symetrií ako nízka teplota fáza.

Predpokladajme, že máte 1 kg blok ľadu pri 0 ° C a chcete ľad rozpustiť a zvýšiť teplotu na 20 ° C, niečo nad štandardnú teplotu v miestnosti. Ako už bolo spomenuté, každý výpočet má dve časti: Je potrebné vypočítať fázu zmeniť a potom obvyklým spôsobom vypočítať energiu potrebnú na zvýšenie teploty o zadanú hodnotu čiastka.

Latentné teplo tavenia pre vodný ľad je 334 kJ / kg, takže pomocou rovnice z predchádzajúceho:

Takže topenie ľadu, konkrétne 1 kg, vyžaduje energiu 334 kilojoulov. Samozrejme, ak pracujete s väčším alebo menším množstvom ľadu, 1 kg by sa jednoducho nahradilo príslušnou hodnotou.

Teraz, keď sa táto energia prenesie na ľad, zmení sa fázaalestále musí mať teplotu 0 ° C. Ak chcete vypočítať množstvo tepla, ktoré je potrebné pridať, aby sa teplota zvýšila na 20 ° C, musíte jednoducho vyhľadať špecifickú tepelnú kapacitu vody (C.= 4 182 J / kg ° C) a použite štandardný výraz:

Kde ∆Tznamená zmenu teploty. S informáciami, ktoré máme, sa dá ľahko dopracovať: Potrebná zmena teploty je 20 ° C, takže zvyšok procesu je iba vloženie hodnôt a výpočet:

Celý proces (t. J. Topenie ľadu a ohrev vody) preto vyžaduje:

Takže väčšina energie pochádza skôr z procesu tavenia, ako z ohrevu. Upozorňujeme, že tento výpočet fungoval iba preto, že jednotky boli v celom rozsahu konzistentné - hmotnosť bola vždy v kg a energia bola prevedená na kJ pre konečné pridanie - a mali by ste to vždy skontrolovať pred pokusom o kalkulácia.

Teraz si predstavte, že vezmete 1 kg vody pri 20 ° C z posledného príkladu a chcete ju premeniť na vodnú paru. Skúste tento problém vyriešiť skôr, ako budete čítať ďalej, pretože postup je v podstate rovnaký ako predtým. Najskôr musíte vypočítať množstvo tepelnej energie potrebnej na privedenie vody do bodu varu a potom môžete pokračovať a zistiť, koľko ďalšej energie je potrebnej na odparenie vody.

Prvá etapa je rovnako ako druhá etapa predchádzajúceho príkladu, s výnimkou teraz ∆T= 80 ° C, pretože teplota varu kvapalnej vody je 100 ° C. Použitím rovnakej rovnice teda získate:

Od bodu, keď bolo pridané toľko energie, pôjde zvyšok energie do odparovania kvapaliny a budete ju musieť vypočítať pomocou druhého výrazu. Toto je:

KdeĽ​_v = 2256 kJ / kg pre kvapalnú vodu. Berúc na vedomie, že v tomto príklade je 1 kg vody, môžete vypočítať:

Spojením obidvoch častí procesu získate celkové potrebné teplo:

Opäť si uvedomte, že drvivá väčšina tepelnej energie použitej v tomto procese (napríklad pri topení ľadu) je vo fázovom prechode, nie v bežnom štádiu zahrievania.