Fasövergångar: Typer, klassificeringar, egenskaper och exempel (med diagram)

Alla har ett minne från när de var barn och fick glass smälta oväntat (och oönskat). Kanske var du på stranden och försökte hålla jämna steg med strömmarna av smält glass som rann ner för fingrarna, men sedan föll hela skopan ner i sanden. Kanske lämnade du en isbit för länge ute i solen och kom tillbaka till en ljusfärgad vattenpöl. Oavsett din upplevelse har de flesta människor något tydligt minne av något ifast fasövergång tillflytande fasoch konsekvenserna av den förändringen.

Naturligtvis har fysiker specifika språk för att beskriva dessa fasförändringar mellan olika tillståndstillstånd. Det borde inte bli en överraskning att de olika fysiska egenskaperna hos material styr hur de beter sig, inklusive temperaturerna vid vilka de genomgår fasförändringar. Lär dig hur du beräknar den energi som används i dessa fasförändringar och lite om det relevanta fysiska egenskaper är avgörande för att förstå allt från smältning av is till mer ovanliga processer som sublimering.

De flesta känner till materiens tre huvudfaser: fast, flytande och gas. Det finns emellertid också ett fjärde tillstånd av materia som kallas plasma, vilket kommer att beskrivas kort senare i denna artikel. Torrsubstanser är de lättaste att förstå; materia i fast tillstånd håller sin form och är inte komprimerbar i någon anmärkningsvärd grad.

Med vatten som ett exempel är is det fasta tillståndet, och det är intuitivt klart att is skulle bryta före dig kunde komprimera den till en mindre volym, och även då skulle den trasiga isen fortfarande ta samma volym. Du kan också tänka på en svamp som ett möjligt motexempel, men i så fall när du "komprimerar" den är du verkligen bara ta bort alla lufthål som den innehåller i sitt naturliga tillstånd - den verkliga fasta substansen blir inte komprimerad.

Vätskor har formen på behållaren som de är i, men de är okomprimerbara på samma sätt som fasta ämnen. Återigen är flytande vatten det perfekta exemplet på detta eftersom det är så bekant: Du kan lägga vatten i något behållarens form, men du kan inte fysiskt komprimera den för att ta mindre volym än vad den gör i sin naturliga form stat. Gaser som vattenånga fyller däremot formen på behållaren de är i men kan komprimeras.

Varje beteende förklaras av dess atomstruktur. I ett fast ämne finns det ett regelbundet gitterarrangemang av atomer, så det bildar en kristallstruktur eller åtminstone en amorf massa eftersom atomerna är fixerade på plats. I en vätska är molekylerna eller atomerna fria att röra sig men är delvis förbundna genom vätebindning, så den flyter fritt men har viss viskositet. I en gas är molekylerna helt separerade, utan några intermolekylära krafter som håller dem ihop, varför en gas kan expandera och komprimera mycket mer fritt än antingen fasta ämnen eller vätskor.

När du tillför värme till ett fast ämne ökar temperaturen tills den når smältpunkten, i vilket skede saker förändras. Värmeenergin du lägger till när du är vid smältpunkten ändrar inte temperaturen; det ger energi för fasövergången från den fasta fasen till den flytande fasen, vanligtvis kallad smältning.

Ekvationen som beskriver smältningsprocessen är:

VarL​_f är den latenta fusionsvärmen för materialet,mär ämnets massa ochFär värmen tillsatt. Som ekvationen visar är enheterna för latent värme energi / massa eller joule per kg, g eller annat massmått. Den latenta fusionsvärmen kallas ibland fusionens entalpi, eller ibland bara den smälta latenta värmen.

För alla specifika ämnen - till exempel, om du tittar specifikt på issmältningen - finns det en specifik övergångstemperatur vid vilken detta inträffar. För att smälta is till flytande vatten är fasövergångstemperaturen 0 grader Celsius eller 273,15 Kelvin. Du kan slå upp den latenta fusionsvärmen för många vanliga material online (se Resurser), men för is är det 334 kJ / kg.

Samma process som för smältning sker när man förångar ett ämne, förutom att temperaturen vid vilken fasövergången sker är ämnets kokpunkt. På samma sätt går dock den extra energi du ger till ämnet vid denna tidpunkt i fasövergången, i detta fall från vätskefasen till gasfasen. Termen som används här är den latenta förångningsvärmen (eller förångningens entalpi), men konceptet är exakt detsamma som för den latenta fusionsvärmen.

Ekvationen har också samma form:

VarL​_v den här gången är den latenta förångningsvärmen (se Resurser för en tabell över värden för vanliga material). Återigen finns det en specifik övergångstemperatur för varje ämne, med flytande vatten som genomgår denna övergång vid 100 ° C eller 373,15 Kelvin. Så om du värmer upp en viss massamvatten från rumstemperatur till kokpunkten och sedan avdunstar det, det finns två steg till beräkningen: den energi som krävs för att få den till 100 ° C, och sedan den energi som krävs för att förångas Det.

Även om fasövergången från fast till vätska (dvs. smältning) och den från vätska till gas (förångning) är de vanligaste, finns det många andra övergångar som kan inträffa. Särskilt,sublimeringär när ett ämne genomgår en fasövergång från en fast fas direkt till en gasfas.

Det mest kända exemplet på detta beteende är i torris, som faktiskt är fast koldioxid. Vid rumstemperatur och atmosfärstryck sublimerar den direkt till koldioxidgas, vilket gör det till ett vanligt val för teatraliska dimmaeffekter.

Motsatsen till sublimering ärdeposition, där en gas genomgår en tillståndsförändring direkt till en fast substans. Detta är en annan typ av fasövergång som diskuteras mindre vanligt men fortfarande förekommer i naturen.

Trycket har stor inverkan på temperaturen vid vilken fasövergångar sker. Vid högre tryck är förångningspunkten högre och den minskar vid lägre tryck. Det är därför vatten kokar vid en lägre temperatur när du är högre i höjd, eftersom trycket är lägre och därför är kokpunkten också. Detta förhållande demonstreras vanligtvis i ett fasdiagram, som har axlar för temperatur och tryck, och linjer som separerar fasta, flytande och gasfaser för ämnet i fråga.

Om du tittar noga på ett fasdiagram kommer du att märka att det finns en specifik punkt vid vilken ämnet befinner sig i skärningspunkten mellan alla tre huvudfaserna (dvs. gas, vätska och fast fas). Detta kallastrippel punkt, eller den kritiska punkten för ämnet, och den uppträder vid en specifik kritisk temperatur och ett kritiskt tryck.

Det fjärde tillståndet av materia är plasma. Detta är lite annorlunda än de andra tillståndstillstånden, eftersom det tekniskt sett är en gas som har joniserats (dvs om elektroner har tagits bort så att de ingående atomerna har en nettoladdning), och så att den inte har en fasövergång på samma sätt som de andra tillstånden i materia.

Dess beteende skiljer sig dock mycket från en typisk gas, för även om den kan betraktas som elektriskt ”kvasi-neutral” (eftersom det finns lika många protoner och elektroner ihelaplasma) finns det fickor med koncentrerad laddning och resulterande strömmar. Plasmer svarar också på elektriska och magnetiska fält på ett sätt som en typisk gas inte skulle göra.

Ett av de mest kända sätten att beskriva övergångar mellan olika faser är klassificeringssystemet Ehrenfest, som delar övergångar i första ordning och andra ordning fasövergångar, och det moderna systemet är starkt baserat på detta. Övergångens "ordning" hänför sig till den lägsta ordningens derivat av den termodynamiska fria energin som visar en diskontinuitet. Till exempel är övergångarna mellan fasta ämnen, vätskor och gaser första ordningens fasövergångar eftersom den latenta värmen skapar en diskontinuitet i det fria energiderivatet.

En andra ordens fasövergång har en diskontinuitet i det andra derivatet av den fria energin, men det är ingen latent värme involverad i processen, så de anses vara kontinuerlig fas övergångar. Exempel inkluderar övergången till supraledning (dvs. den punkt vid vilken något blir en supraledare) och den ferromagnetiska fasövergången (som beskrivs av Ising-modellen).

Landau-teorin används för att beskriva ett systems beteende, särskilt kring en kritisk punkt. Generellt sett bryts symmetri vid fasövergångstemperaturen, och detta är särskilt användbart vid beskriver övergångar i flytande kristaller, med högtemperaturfasen som innehåller fler symmetrier än den låga temperaturen fas.

Låt oss anta att du har ett 1 kg isblock vid 0 ° C och vill smälta isen och höja temperaturen till 20 ° C, lite över standardrumstemperatur. Som nämnts tidigare finns det två delar i någon beräkning som denna: Du måste beräkna fasen ändra och använd sedan den vanliga metoden för att beräkna den energi som behövs för att höja temperaturen med det angivna belopp.

Den latenta fusionsvärmen för is är 334 kJ / kg, så använd ekvationen från tidigare:

Så att smälta is, specifikt 1 kg, tar 334 kilojoule energi. Naturligtvis, om du arbetade med en större eller mindre mängd is skulle 1 kg helt enkelt ersättas med lämpligt värde.

Nu, när denna energi har överförts till isen, kommer den att ha bytt fasmenfortfarande vara vid 0 ° C i temperatur. För att beräkna mängden värme du behöver lägga för att höja temperaturen till 20 ° C behöver du helt enkelt slå upp den specifika värmekapaciteten för vatten (C= 4,182 J / kg ° C) och använd standarduttrycket:

Var ∆Tstår för temperaturförändringen. Det här är lätt att träna med den information vi har: Temperaturförändringen som behövs är 20 C, så resten av processen är helt enkelt att infoga värdena och beräkna:

Hela processen (dvs. att smälta isen och värma upp vattnet) kräver därför:

Så det mesta av energin kommer från smältprocessen, snarare än uppvärmningen. Observera att denna beräkning bara fungerade eftersom enheterna var jämna hela tiden - massan var alltid i kg, och energin konverterades till kJ för det slutliga tillägget - och du bör alltid kontrollera detta innan du försöker a beräkning.

Tänk dig nu att du tar 1 kg vatten vid 20 C från det sista exemplet och vill omvandla det till vattenånga. Försök att lösa detta problem innan du läser vidare, eftersom processen i princip är densamma som tidigare. Först måste du beräkna mängden värmeenergi som krävs för att föra vattnet till kokpunkten, och sedan kan du fortsätta och räkna ut hur mycket extra energi som behövs för att förånga vattnet.

Det första steget är precis som det andra steget i föregående exempel, utom nu ∆T= 80 C, eftersom kokpunkten för flytande vatten är 100 C. Så att använda samma ekvation ger:

Från den punkt där så mycket energi har tillsatts kommer resten av energin att gå till att förånga vätskan och du måste beräkna den med det andra uttrycket. Detta är:

VarL​_v = 2256 kJ / kg för flytande vatten. Att notera att det finns 1 kg vatten i detta exempel kan du beräkna:

Lägga till båda delarna av processen tillsammans ger den totala värmen som krävs:

Observera igen att den stora majoriteten av den värmeenergi som används i denna process (som vid issmältning) är i fasövergången, inte det vanliga uppvärmningssteget.