Фазни прелази: типови, класификације, својства и примери (са дијаграмом)

Свако се сећа из детињства и неочекивано се (и нежељено) растопио сладолед. Можда сте били на плажи, покушавајући да идете у корак са потоцима растопљеног сладоледа који вам се спуштају низ прсте, али онда је цела куглица отпала у песак. Можда сте предуго оставили сладолед на сунцу и вратили се у локву блиставе боје слатке воде. Без обзира на ваше искуство, већина људи има неко јасно сећање на нешто учврста фазапрелазак натечна фаза, и последице те промене.

Наравно, физичари имају специфичан језик да опишу ове фазне промене између различитих стања материје. Не би требало да буде изненађење да различита физичка својства материјала управљају њиховим понашањем, укључујући температуре на којима пролазе кроз фазне промене. Научићете се како рачунате енергију која се троши у овим фазама и мало о релевантној физичкој својства су пресудна за разумевање свега, од топљења леда до необичнијих процеса попут сублимација.

Већини људи су познате три главне фазе материје: чврста, течна и гасна. Међутим, постоји и четврто стање материје звано плазма, које ће бити кратко описано касније у овом чланку. Чврсте материје је најлакше разумети; материја у чврстом стању задржава свој облик и није знатно стисљива.

Користећи пример воде, лед је чврсто стање и интуитивно је јасно да би се лед ломио пре вас били у стању да га компресују у мањи волумен, па чак и тада би сломљени лед заузимао исто запремину. Можда бисте и сунђер сматрали могућим контра-примером, али у том случају, када га „стиснете“, заиста сте само уклањањем свих ваздушних рупа које садржи у свом природном стању - стварна чврста материја не долази стиснут.

Течности попримају облик контејнера у којем се налазе, али су нестисљиве на исти начин као и чврсте материје. Поново, течна вода је савршен пример за то јер је тако позната: воду можете ставити у било коју облик контејнера, али не можете га физички стиснути да заузме мање запремине него што је то природно стање. С друге стране, гасови попут водене паре испуњавају облик посуде у којој се налазе, али могу бити компримовани.

Понашање сваког објашњава се атомском структуром. У чврстом материјалу постоји правилни решеткасти распоред атома, па он формира кристалну структуру или барем аморфну ​​масу, јер су атоми фиксирани на месту. У течности се молекули или атоми могу слободно кретати, али су делимично повезани водоничном везом, тако да тече слободно, али има одређену вискозност. У гасу су молекули потпуно одвојени, без интермолекуларних сила које их држе на окупу, због чега се гас може ширити и компримовати много слободније од чврстих тела или течности.

Када крутини додате топлоту, она повећава температуру док не достигне тачку топљења, у којој се ствари мењају. Топлотна енергија коју додате када сте на тачки топљења не мења температуру; обезбеђује енергију за фазни прелаз из чврсте фазе у течну, која се обично назива топљењем.

Једначина која описује процес топљења је:

ГдеЛ​_ф је латентна топлота топљења материјала,мје маса супстанце иКје додата топлота. Као што показује једначина, јединице латентне топлоте су енергија / маса, или џула по кг, г или друга мера масе. Латентна топлота фузије понекад се назива енталпија фузије, или понекад само латентна топлота топљења.

За било коју одређену супстанцу - на пример, ако посебно гледате на топљење леда - постоји одређена температура преласка на којој се то догађа. За топљење леда у течној води, температура фазног прелаза је 0 степени Целзијуса или 273,15 Келвина. Можете потражити латентну топлоту фузије за многе уобичајене материјале на мрежи (погледајте Ресурси), али за лед је 334 кЈ / кг.

Исти поступак као и за топљење дешава се када испарите супстанцу, с тим што је температура на којој се догађа фазни прелаз тачка кључања супстанце. Међутим, на исти начин, додатна енергија коју супстанци дајете у овом тренутку одлази у фазни прелаз, у овом случају из течне у гасну фазу. Термин који се овде користи је латентна топлота испаравања (или енталпија испаравања), али концепт је потпуно исти као и за латентну топлоту фузије.

Једначина такође има исти облик:

ГдеЛ​_в овог пута је латентна топлота испаравања (погледајте Ресурсе за табелу вредности за уобичајене материјале). Опет, постоји специфична температура прелаза за сваку супстанцу, а течна вода пролази кроз тај прелаз на 100 Ц или 373,15 Келвина. Дакле, ако загревате одређену масумводе од собне температуре до тачке кључања и затим испаравање, постоје две фазе прорачун: енергија потребна да се доведе до 100 Ц, а затим енергија потребна за испаравање то.

Иако се најчешће сусрећу фазни прелаз из чврсте у течност (тј. Топљење) и онај из течности у гас (испаравање), постоји много других прелаза који се могу догодити. Нарочито,сублимацијаје када супстанца пролази кроз фазни прелаз из чврсте фазе директно у гасовиту фазу.

Најпознатији пример овог понашања је у сувом леду, који је заправо чврсти угљен-диоксид. На собној температури и атмосферском притиску, сублимира се директно у гас угљен-диоксида, што га чини уобичајеним избором за позоришне ефекте магле.

Супротно од сублимације јеталожење, где гас пролази кроз промену стања директно у чврсту супстанцу. Ово је друга врста фазног прелаза о којој се ређе расправља, али се и даље јавља у природи.

Притисак има велики утицај на температуру на којој се јављају фазни прелази. При већем притиску, тачка испаравања је већа, а смањује се при нижим притисцима. Због тога вода кључа на нижој температури када сте виши на надморској висини, јер је притисак нижи, а самим тим и тачка кључања. Овај однос се обично показује на фазном дијаграму који има осе температуре и притиска и линије које раздвајају чврсту, течну и гасну фазу за предметну супстанцу.

Ако пажљиво погледате фазни дијаграм, приметићете да постоји одређена тачка у којој се супстанца налази на пресеку све три главне фазе (тј. Гасне, течне и чврсте фазе). Ово се зоветрострука тачка, или критична тачка за супстанцу, а јавља се на одређеној критичној температури и критичном притиску.

Четврто стање материје је плазма. Ово се мало разликује од осталих стања материје, јер је то технички гас који је јонизован (тј. Ако су електрони уклоњени тако да саставни атоми имају нето електрични набој), и зато нема фазни прелаз на исти начин као и друга стања материја.

Његово понашање се ипак разликује од типичног гаса, јер иако се електрично може сматрати „квазитутралним“ (јер у води постоји једнак број протона и електронацелинаплазме), постоје џепови концентрисаног наелектрисања и резултујуће струје. Плазма такође реагује на електрична и магнетна поља на начин на који типични гас не би.

Један од најпознатијих начина за описивање прелаза између различитих фаза је Ехренфестов систем класификације, који дели прелазе на фазне прелазе првог и другог реда, а савремени систем је снажно заснован на ово. „Ред“ прелаза односи се на дериват најнижег реда термодинамичке слободне енергије који показује дисконтинуитет. На пример, прелази између чврстих тела, течности и гасова су фазни прелази првог реда, јер латентна топлота ствара дисконтинуитет у слободном деривата енергије.

Фазни прелаз другог реда има дисконтинуитет у другом изводу слободне енергије, али у процесу није укључена латентна топлота, па се сматрају континуираном фазом прелази. Примери укључују прелаз у суперпроводљивост (тј. Тачку у којој нешто постаје суперпроводник) и феромагнетни фазни прелаз (како је описан Исинговим моделом).

Ландауова теорија користи се за описивање понашања система, посебно око критичне тачке. Уопштено говорећи, долази до прекида симетрије на температури фазног прелаза, што је посебно корисно код описујући прелазе у течним кристалима, при чему фаза високе температуре садржи више симетрија од ниске температуре фаза.

Претпоставимо да имате блок леда од 1 кг на 0 Ц и желите да стопите лед и повисите температуру на 20 Ц, мало изнад стандардне собне температуре. Као што је претходно поменуто, у било којем оваквом прорачуну постоје два дела: Морате израчунати фазу променити, а затим користити уобичајени приступ за израчунавање енергије потребне за повишење температуре за назначену износ.

Латентна топлота топљења воденог леда је 334 кЈ / кг, па се користи једначина из раније:

Дакле, за топљење леда, тачно 1 кг, потребно је 334 килоџула енергије. Наравно, ако радите са већом или мањом количином леда, 1 кг би једноставно било замењено одговарајућом вредношћу.

Сада, када се ова енергија пренесе на лед, она ће променити фазуалии даље бити на температури од 0 ° Ц. Да бисте израчунали количину топлоте коју бисте требали да додате да бисте повисили температуру на 20 Ц, једноставно треба да потражите специфични топлотни капацитет воде (Ц.= 4.182 Ј / кг ° Ц) и користите стандардни израз:

Где ∆Т.означава промену температуре. Ово је лако решити са информацијама које имамо: Потребна промена температуре је 20 Ц, тако да је остатак поступка једноставно убацивање вредности и израчунавање:

Читав поступак (тј. Топљење леда и загревање воде) захтева:

Дакле, већина енергије долази из процеса топљења, а не из грејања. Имајте на уму да је овај прорачун успео само зато што су јединице биле доследне - маса је увек била у кг и енергија је претворена у кЈ за коначно додавање - и то увек треба проверити пре покушаја а прорачун.

Сада замислите да сте узели 1 кг воде на 20 Ц из последњег примера и желите да је претворите у водену пару. Покушајте да решите овај проблем пре него што прочитате унапред, јер је поступак у основи исти као и раније. Прво морате израчунати количину топлотне енергије потребне да вода доведе до тачке кључања, а затим можете да наставите и утврдите колико је додатне енергије потребно за испаравање воде.

Прва фаза је попут друге фазе претходног примера, осим сада ∆Т.= 80 Ц, пошто је тачка кључања течне воде 100 Ц. Дакле, коришћење исте једначине даје:

Од тренутка када је додато оволико енергије, остатак енергије ће ићи у испаравање течности и мораћете да је израчунате помоћу другог израза. Ово је:

ГдеЛ​_в = 2256 кЈ / кг за течну воду. Имајући у виду да у овом примеру има 1 кг воде, можете израчунати:

Сабирање оба дела процеса заједно даје укупну потребну топлоту:

Поново приметите да је велика већина топлотне енергије која се користи у овом процесу (као код топљења леда) у фазном прелазу, а не у уобичајеном степену грејања.