Fazni prehodi: vrste, klasifikacije, lastnosti in primeri (z diagramom)

Vsak ima spomin iz otroštva in se je nepričakovano (in nezaželeno) stopil sladoled. Mogoče ste bili na plaži in poskušali dohajati curke stopljenega sladoleda, ki so vam tekli po prstih, potem pa je celotna kepica padla v pesek. Mogoče ste predolgo pustili pončo na soncu in se vrnili v svetlo obarvano mlako sladke vode. Ne glede na vaše izkušnje ima večina ljudi nekaj jasnega v spominu na nekajtrdna fazaprehod natekoča fazain posledice te spremembe.

Seveda imajo fiziki poseben jezik za opis teh faznih sprememb med različnimi stanji snovi. Ne bi smelo biti presenečenje, da različne fizikalne lastnosti materialov določajo njihovo vedenje, vključno s temperaturami, pri katerih se spreminjajo faze. Spoznavanje izračunov porabljene energije v teh fazah se spremeni in nekaj o ustrezni fizični fiziki lastnosti je ključnega pomena za razumevanje vsega, od taljenja ledu do bolj nenavadnih procesov, kot so sublimacija.

Večina ljudi pozna tri glavne faze snovi: trdna, tekoča in plinasta. Vendar pa obstaja tudi četrto stanje snovi, imenovano plazma, ki bo na kratko opisano v nadaljevanju tega članka. Trdne snovi je najlažje razumeti; Snov v trdnem stanju ima obliko in ni stisljiva v opazni meri.

Če za primer uporabimo vodo, je led v trdnem stanju in intuitivno je jasno, da bi se led pred vami zlomil so ga lahko stisnili v manjši volumen in tudi takrat bi zdrobljeni led še vedno zavzel enako glasnost. Gobico si lahko zamislite tudi kot možen primer, toda v tem primeru, ko jo "stisnete", ste resnično samo odstranitev vseh zračnih lukenj, ki jih vsebuje v naravnem stanju - dejanska trdna snov ne dobi stisnjen.

Tekočine imajo obliko posode, v kateri so, vendar so nestisljive na enak način kot trdne snovi. Spet je tekoča voda odličen primer tega, ker je tako znana: vodo lahko daste v katero koli oblike posode, vendar je ne morete fizično stisniti, da zavzame manj prostornine kot v svoji naravni obliki država. Plini, kot je vodna para, napolnijo obliko posode, v kateri so, vendar jih je mogoče stisniti.

Vedenje vsakega je razloženo z atomsko strukturo. V trdni snovi obstaja pravilna mrežasta razporeditev atomov, zato tvori kristalno strukturo ali vsaj amorfno maso, ker so atomi pritrjeni na svoje mesto. V tekočini se molekule ali atomi prosto gibljejo, vendar so delno povezani z vodikovo vezjo, zato teče prosto, vendar ima nekaj viskoznosti. V plinu so molekule popolnoma ločene, brez medmolekularnih sil, ki jih držijo skupaj, zato se lahko plin širi in stisne veliko bolj prosto kot trdne snovi ali tekočine.

Ko trdni snovi dodate toploto, ta zviša svojo temperaturo, dokler ne doseže tališča, na katerem se stvari spremenijo. Toplotna energija, ki jo dodate, ko ste na tališču, ne spremeni temperature; zagotavlja energijo za fazni prehod iz trdne faze v tekočo fazo, običajno imenovano taljenje.

Enačba, ki opisuje postopek taljenja, je:

KjeL​_f je latentna toplota taljenja materiala,mmasa snovi inVje dodana toplota. Kot kaže enačba, so enote latentne toplote energija / masa ali džuli na kg, g ali druga masna mera. Latentna toplota fuzije se včasih imenuje entalpija fuzije ali včasih le latentna toplota taljenja.

Za katero koli določeno snov - na primer, če natančno iščete taljenje ledu - obstaja določena temperatura prehoda, pri kateri se to zgodi. Za taljenje ledu v tekočo vodo je temperatura faznega prehoda 0 stopinj Celzija ali 273,15 Kelvina. V spletu lahko poiščete skrito toploto fuzije za številne običajne materiale (glejte Vire), vendar je za led 334 kJ / kg.

Isti postopek kot pri taljenju se zgodi, ko snov uparite, le da je temperatura, pri kateri pride do faznega prehoda, vrelišče snovi. Na enak način pa dodatna energija, ki jo v tem trenutku oddate snovi, preide v fazni prehod, v tem primeru iz tekoče faze v plinsko fazo. Tu uporabljeni izraz je latentna toplota uparjanja (ali entalpija uparjanja), vendar je koncept popolnoma enak kot pri latentni toploti fuzije.

Enačba ima tudi enako obliko:

KjeL​_v ta čas je latentna toplota uparjanja (glejte Vire za tabelo vrednosti za običajne materiale). Spet obstaja posebna temperatura prehoda za vsako snov, tekoča voda pa prehaja pri 100 C ali 373,15 Kelvina. Torej, če ogrevate določeno masomvode od sobne temperature do vrelišča in nato uparjanje obstaja v dveh stopnjah izračun: energija, potrebna za njeno segrevanje na 100 C, in nato energija, potrebna za izhlapevanje to.

Čeprav sta najpogostejša fazni prehod iz trdne v tekočino (tj. Taljenje) in tista iz tekočine v plin (uparjanje), se lahko zgodi še veliko drugih prehodov. Še posebej,sublimacijaje, ko snov fazno prehaja iz trdne faze neposredno v plinasto fazo.

Najbolj znan primer tega vedenja je v suhem ledu, ki je pravzaprav trdni ogljikov dioksid. Pri sobni temperaturi in atmosferskem tlaku se sublimira neposredno v plin iz ogljikovega dioksida, zato je pogosta izbira za gledališke učinke megle.

Nasprotno od sublimacije jeodlaganje, pri katerem se plin spremeni v stanje neposredno v trdno snov. To je druga vrsta faznega prehoda, o kateri se manj pogosto razpravlja, vendar se še vedno pojavlja v naravi.

Tlak močno vpliva na temperaturo, pri kateri pride do faznih prehodov. Pri višjem tlaku je točka uparjanja višja in se pri nižjih tlakih zmanjša. Zato voda vre pri nižji temperaturi, ko ste višje, saj je tlak nižji in s tem tudi vrelišče. To razmerje je ponavadi prikazano v faznem diagramu, ki ima osi temperature in tlaka ter črte, ki ločujejo trdno, tekočo in plinsko fazo zadevne snovi.

Če natančno pogledate fazni diagram, boste opazili, da obstaja določena točka, na kateri je snov na presečišču vseh treh glavnih faz (tj. Plinske, tekoče in trdne faze). To se imenujetrojna točka, ali kritična točka za snov in se pojavi pri določeni kritični temperaturi in kritičnem tlaku.

Četrto stanje snovi je plazma. To se nekoliko razlikuje od drugih snovi, ker je tehnično plin, ki je bil ioniziran (tj. Če so bili odstranjeni elektroni tako da imajo sestavni atomi neto električni naboj) in tako nima faznega prehoda na enak način kot druga stanja zadeve.

Njegovo vedenje se sicer zelo razlikuje od običajnega plina, saj ga sicer lahko štejemo za električno "kvazi nevtralnega" (ker je v protokolih enako število protonov in elektronovcelotaplazme), obstajajo žepi koncentriranega naboja in posledični tokovi. Tudi plazme se odzivajo na električna in magnetna polja tako, kot se tipični plin ne bi.

Eden najbolj znanih načinov za opis prehoda med različnimi fazami je klasifikacijski sistem Ehrenfest, ki deli prehode na fazne prehode prvega in drugega reda, sodobni sistem pa močno temelji to. "Vrstni red" prehoda se nanaša na odvod najnižjega reda termodinamične proste energije, ki kaže diskontinuiteto. Na primer, prehodi med trdnimi snovmi, tekočinami in plini so fazni prehodi prvega reda, ker latentna toplota ustvarja diskontinuiteto v prostih energetskih derivatih.

Fazni prehod drugega reda ima diskontinuiteto v drugem odvodu proste energije, vendar v procesu ni vpletene latentne toplote, zato veljajo za neprekinjeno fazo prehodi. Primeri vključujejo prehod v superprevodnost (tj. Točko, ko nekaj postane superprevodnik) in feromagnetni fazni prehod (kot ga opisuje Isingov model).

Landaujeva teorija se uporablja za opis vedenja sistema, zlasti okoli kritične točke. Na splošno velja, da pri temperaturi faznega prehoda pride do prekinitve simetrije, kar je še posebej koristno pri opisuje prehode v tekočih kristalih z visokotemperaturno fazo, ki vsebuje več simetrij kot nizka temperatura fazi.

Predpostavimo, da imate 1-kilogramski blok ledu pri 0 C in želite stopiti led in zvišati temperaturo na 20 C, malo nad standardno sobno temperaturo. Kot smo že omenili, sta pri vsakem izračunu dva dela: Izračunati morate fazo spremenite in nato uporabite običajni pristop za izračun energije, potrebne za dvig temperature za določeno znesek.

Latentna toplota fuzije vodnega ledu je 334 kJ / kg, zato z uporabo enačbe iz prejšnje:

Torej taljenje ledu, natančneje 1 kg, porabi 334 kilodžulov energije. Če bi delali z večjo ali manjšo količino ledu, bi 1 kg preprosto nadomestili z ustrezno vrednostjo.

Zdaj, ko bo ta energija prenesena na led, bo spremenila fazoampakše vedno pri temperaturi 0 C. Za izračun količine toplote, ki bi jo morali dodati za dvig temperature na 20 C, preprosto poiščite specifično toplotno zmogljivost vode (C= 4.182 J / kg ° C) in uporabite standardni izraz:

Kje ∆Tpomeni spremembo temperature. To je enostavno razbrati z informacijami, ki jih imamo: Sprememba potrebne temperature je 20 ° C, tako da je preostanek postopka preprosto vstavljanje vrednosti in izračun:

Celoten postopek (tj. Taljenje ledu in ogrevanje vode) zato zahteva:

Večina energije torej prihaja iz postopka taljenja in ne iz ogrevanja. Upoštevajte, da je ta izračun deloval le zato, ker so bile enote vseskozi enake - masa je bila vedno v kg in energija je bila pretvorjena v kJ za končni dodatek - in to morate vedno preveriti pred poskusom a izračun.

Zdaj pa si predstavljajte, da vzamete 1 kg vode pri 20 C iz zadnjega primera in jo želite pretvoriti v vodno paro. Poskusite to težavo rešiti pred branjem naprej, ker je postopek v bistvu enak kot prej. Najprej morate izračunati količino toplotne energije, ki je potrebna, da voda doseže vrelišče, nato pa lahko nadaljujete in ugotovite, koliko dodatne energije je potrebno za izhlapevanje vode.

Prva stopnja je tako kot druga stopnja prejšnjega primera, razen zdaj ∆T= 80 C, saj je vrelišče tekoče vode 100 C. Torej z uporabo enačbe dobimo:

Od trenutka, ko je bilo dodanega toliko energije, bo preostala energija prešla v uparjanje tekočine in jo boste morali izračunati z drugim izrazom. To je:

KjeL​_v = 2256 kJ / kg za tekočo vodo. Upoštevajoč, da je v tem primeru 1 kg vode, lahko izračunate:

Če skupaj seštejemo oba dela procesa, dobimo celotno potrebno toploto:

Še enkrat opozorimo, da je velika večina toplotne energije, uporabljene v tem postopku (tako kot pri taljenju ledu), v faznem prehodu in ne v običajni stopnji ogrevanja.