Faz Geçişleri: Tipler, Sınıflandırmalar, Özellikler ve Örnekler (Şema ile)

Herkesin çocukken ve dondurmanın beklenmedik bir şekilde (ve istemeden de olsa) eridiği bir anısı vardır. Belki de sahilde parmaklarınızdan akan erimiş dondurma akışlarına ayak uydurmaya çalışıyordunuz, ama sonra bütün kepçe kuma düştü. Belki bir dondurmayı çok uzun süre güneşte bıraktın ve parlak renkli şekerli su birikintisine döndün. Deneyiminiz ne olursa olsun, çoğu insanın hayatındaki bir şey hakkında net bir hafızası vardır.Katı Fazgeçişsıvı fazve bu değişikliğin sonuçları.

Elbette fizikçilerin, maddenin farklı halleri arasındaki bu faz değişimlerini tanımlamak için belirli bir dili vardır. Malzemelerin farklı fiziksel özelliklerinin, faz değişimlerine maruz kaldıkları sıcaklıklar da dahil olmak üzere nasıl davrandıklarını yönetmesi şaşırtıcı olmamalıdır. Bu faz değişimlerinde kullanılan enerjiyi nasıl hesapladığınızı ve ilgili fiziksel durum hakkında biraz bilgi edinin. özellikleri, buzun erimesinden daha olağandışı süreçlere kadar her şeyi anlamak için çok önemlidir. süblimasyon.

Çoğu insan maddenin üç ana aşamasına aşinadır: katı, sıvı ve gaz. Ancak maddenin plazma adı verilen dördüncü hali de vardır ve bu durum bu makalenin ilerleyen kısımlarında kısaca anlatılacaktır. Katılar anlaşılması en kolay olanlardır; katı haldeki madde şeklini korur ve kayda değer ölçüde sıkıştırılamaz.

Suyu örnek olarak kullanırsak, buz katı haldedir ve sezgisel olarak buzun sizden önce kırılacağı açıktır. onu daha küçük bir hacme sıkıştırabildiler ve o zaman bile kırık buz hala aynı şeyi alacaktı. Ses. Bir süngeri olası bir karşı örnek olarak da düşünebilirsiniz, ancak bu durumda, onu "sıkıştırdığınızda", gerçekten sadece içerdiği tüm hava deliklerini doğal haliyle kaldırarak - gerçek katı madde sıkıştırılmış.

Sıvılar bulundukları kabın şeklini alırlar ancak katılar gibi sıkıştırılamazlar. Yine, sıvı su bunun mükemmel bir örneğidir çünkü çok tanıdıktır: Suyu herhangi bir suya koyabilirsiniz. kabın şekli, ancak doğal haliyle olduğundan daha az hacim kaplayacak şekilde fiziksel olarak sıkıştıramazsınız. durum. Su buharı gibi gazlar ise bulundukları kabın şeklini doldururlar ancak sıkıştırılabilirler.

Her birinin davranışı atomik yapısıyla açıklanır. Bir katıda atomların düzenli bir kafes düzeni vardır, bu nedenle atomlar yerinde sabitlendiğinden bir kristal yapı veya en azından amorf bir kütle oluşturur. Bir sıvıda, moleküller veya atomlar hareket etmekte serbesttir, ancak kısmen hidrojen bağıyla bağlanır, bu nedenle serbestçe akar ancak bir miktar viskoziteye sahiptir. Bir gazda, moleküller onları bir arada tutan moleküller arası kuvvetler olmadan tamamen ayrılır, bu nedenle bir gaz katılardan veya sıvılardan çok daha özgürce genişleyebilir ve sıkıştırabilir.

Bir katıya ısı eklediğinizde, erime noktasına ulaşana kadar sıcaklığını arttırır, bu aşamada işler değişir. Erime noktasına geldiğinizde eklediğiniz ısı enerjisi sıcaklığı değiştirmez; genellikle erime olarak adlandırılan katı fazdan sıvı faza faz geçişi için enerji sağlar.

Erime sürecini açıklayan denklem:

NeredeL​_f malzeme için gizli füzyon ısısıdır,mmaddenin kütlesi veSeklenen ısıdır. Denklemin gösterdiği gibi, gizli ısı birimleri enerji/kütle veya joule/kg, g veya başka bir kütle ölçüsüdür. Gizli füzyon ısısına bazen füzyon entalpisi, bazen de sadece erime gizli ısısı denir.

Herhangi bir özel madde için – örneğin, özellikle buzun erimesine bakıyorsanız – bunun gerçekleştiği belirli bir geçiş sıcaklığı vardır. Buzun sıvı suya eritilmesi için faz geçiş sıcaklığı 0 santigrat derece veya 273,15 Kelvin'dir. Birçok yaygın malzeme için çevrimiçi olarak gizli füzyon ısısına bakabilirsiniz (Kaynaklara bakın), ancak buz için 334 kJ/kg'dır.

Erime ile aynı süreç, bir maddeyi buharlaştırdığınızda gerçekleşir, ancak faz geçişinin meydana geldiği sıcaklığın maddenin kaynama noktası olmasıdır. Yine aynı şekilde bu noktada maddeye verdiğiniz ek enerji faz geçişine yani bu durumda sıvı fazdan gaz fazına geçer. Burada kullanılan terim, gizli buharlaşma ısısıdır (veya buharlaşma entalpisi), ancak kavram, gizli füzyon ısısı ile tamamen aynıdır.

Denklem de aynı formu alır:

NeredeL​_v bu süre buharlaşmanın gizli ısısıdır (ortak malzemeler için bir değer tablosu için Kaynaklara bakın). Yine her madde için belirli bir geçiş sıcaklığı vardır, sıvı su bu geçişi 100 C veya 373.15 Kelvin'de gerçekleştirir. Yani belli bir kütleyi ısıtıyorsanızmsuyun oda sıcaklığından kaynama noktasına kadar ve daha sonra buharlaştırılması için iki aşama vardır. hesaplama: onu 100 C'ye getirmek için gereken enerji ve ardından buharlaşmak için gereken enerji o.

Katıdan sıvıya (yani erime) ve sıvıdan gaza (buharlaşma) faz geçişleri en sık karşılaşılanları olsa da, meydana gelebilecek başka birçok geçiş vardır. Özellikle,süblimasyonbir maddenin katı fazdan doğrudan gaz faza geçiş yapmasıdır.

Bu davranışın en iyi bilinen örneği, aslında katı karbondioksit olan kuru buzdur. Oda sıcaklığında ve atmosfer basıncında, doğrudan karbondioksit gazına süblimleşir ve bu, onu teatral sis efektleri için yaygın bir seçim haline getirir.

Süblimleşmenin tersibiriktirme, bir gazın doğrudan bir katıya hal değişimine uğradığı yer. Bu, daha az tartışılan ancak yine de doğada meydana gelen başka bir faz geçişi türüdür.

Basıncın, faz geçişlerinin meydana geldiği sıcaklık üzerinde büyük etkisi vardır. Daha yüksek bir basınçta, buharlaşma noktası daha yüksektir ve daha düşük basınçlarda azalır. Bu nedenle, yüksekte olduğunuzda su daha düşük bir sıcaklıkta kaynar, çünkü basınç daha düşüktür ve dolayısıyla kaynama noktası da öyledir. Bu ilişki genellikle, sıcaklık ve basınç eksenleri ve söz konusu madde için katı, sıvı ve gaz fazlarını ayıran çizgileri olan bir faz diyagramında gösterilir.

Bir faz diyagramına dikkatlice bakarsanız, maddenin üç ana fazın (yani gaz, sıvı ve katı faz) kesiştiği belirli bir nokta olduğunu fark edeceksiniz. Bu denirüçlü noktaveya madde için kritik noktadır ve belirli bir kritik sıcaklıkta ve kritik bir basınçta meydana gelir.

Maddenin dördüncü hali plazmadır. Bu, maddenin diğer hallerinden biraz farklıdır, çünkü teknik olarak iyonize edilmiş bir gazdır (yani, elektronları uzaklaştırılmıştır). bu nedenle kurucu atomların net bir elektrik yükü vardır) ve bu nedenle diğer hallerde olduğu gibi bir faz geçişi yoktur. Önemli olmak.

Davranışı tipik bir gazdan çok farklıdır, çünkü elektriksel olarak "yarı-nötr" olarak kabul edilebilirken (çünkü gazda eşit sayıda proton ve elektron vardır).bütünplazma), konsantre şarj cepleri ve ortaya çıkan akımlar vardır. Plazmalar ayrıca elektrik ve manyetik alanlara tipik bir gazın yapmayacağı şekilde tepki verir.

Farklı fazlar arasındaki geçişleri tanımlamanın en iyi bilinen yollarından biri Ehrenfest sınıflandırma sistemidir. geçişleri birinci dereceden ve ikinci dereceden faz geçişlerine ayıran ve modern sistem güçlü bir şekilde bu. Geçişin "düzeni", bir süreksizlik gösteren termodinamik serbest enerjinin en düşük dereceli türevini ifade eder. Örneğin katılar, sıvılar ve gazlar arasındaki geçişler birinci dereceden faz geçişleridir çünkü gizli ısı serbest enerji türevinde bir süreksizlik yaratır.

İkinci dereceden bir faz geçişi, serbest enerjinin ikinci türevinde süreksizliğe sahiptir, ancak sürece dahil olan gizli ısı yoktur, bu nedenle sürekli faz olarak kabul edilirler. geçişler. Örnekler, süperiletkenliğe geçişi (yani bir şeyin süperiletken haline geldiği nokta) ve ferromanyetik faz geçişini (Ising modeli tarafından açıklandığı gibi) içerir.

Landau teorisi, bir sistemin davranışını, özellikle kritik bir nokta etrafındaki davranışını tanımlamak için kullanılır. Genel olarak konuşursak, faz geçiş sıcaklığında simetri kırılması vardır ve bu özellikle şu durumlarda faydalıdır: Düşük sıcaklıktan daha fazla simetri içeren yüksek sıcaklık fazı ile sıvı kristallerdeki geçişleri tanımlayan evre.

0 C'de 1 kg'lık bir buz bloğunuz olduğunu ve buzu eritmek ve sıcaklığı standart oda sıcaklığının biraz üzerinde 20 C'ye yükseltmek istediğinizi varsayalım. Daha önce de belirtildiği gibi, bunun gibi herhangi bir hesaplamanın iki kısmı vardır: Aşamayı hesaplamanız gerekir. değiştirin ve ardından sıcaklığı belirtilen değere kadar yükseltmek için gereken enerjiyi hesaplamak için olağan yaklaşımı kullanın. Miktar.

Su buzu için gizli füzyon ısısı 334 kJ/kg'dır, bu nedenle daha önceki denklemi kullanarak:

Yani erime buz, özellikle 1 kg, 334 kilojul enerji alır. Tabii ki, daha büyük veya daha az miktarda buzla çalışıyorsanız, 1 kg basitçe uygun değerle değiştirilir.

Şimdi, bu enerji buza aktarıldığında, faz değiştirmiş olacak.fakathala 0 C sıcaklıkta olun. Sıcaklığı 20 C'ye yükseltmek için eklemeniz gereken ısı miktarını hesaplamak için, suyun özgül ısı kapasitesine bakmanız yeterlidir (C= 4,182 J/kg°C) ve standart ifadeyi kullanın:

nerede ∆Tsıcaklıktaki değişimi ifade eder. Elimizdeki bilgilerle bunu çözmek kolaydır: Gerekli sıcaklık değişikliği 20 C'dir, bu nedenle işlemin geri kalanı sadece değerleri girmek ve hesaplamaktır:

Tüm süreç (yani, buzun eritilmesi ve suyun ısıtılması) bu nedenle şunları gerektirir:

Yani enerjinin çoğu ısıtmadan ziyade eritme sürecinden gelir. Bu hesaplamanın yalnızca birimler tutarlı olduğu için işe yaradığına dikkat edin – kütle her zaman kg cinsindenydi ve enerji, son ekleme için kJ'ye dönüştürüldü - ve bunu denemeden önce her zaman kontrol etmelisiniz. hesaplama.

Şimdi son örnekten 20 C'de 1 kg suyu aldığınızı ve su buharına dönüştürmek istediğinizi hayal edin. Devamını okumadan önce bu sorunu çözmeye çalışın, çünkü süreç temelde öncekiyle aynıdır. İlk olarak, suyu kaynama noktasına getirmek için gereken ısı enerjisi miktarını hesaplamanız gerekir, ardından devam edip suyu buharlaştırmak için ne kadar ek enerji gerektiğini hesaplayabilirsiniz.

İlk aşama, şimdi hariç, önceki örneğin ikinci aşaması gibidir ∆T= 80 C, sıvı suyun kaynama noktası 100 C olduğundan. Yani aynı denklemi kullanarak verir:

Bu kadar enerjinin eklendiği noktadan itibaren, enerjinin geri kalanı sıvıyı buharlaştırmaya gidecek ve bunu diğer ifadeyi kullanarak hesaplamanız gerekecek. Bu:

NeredeL​_v = sıvı su için 2256 kJ/kg. Bu örnekte 1 kg su olduğuna dikkat ederek şunları hesaplayabilirsiniz:

Sürecin her iki parçasını bir araya getirmek, gereken toplam ısıyı verir:

Bu süreçte kullanılan ısı enerjisinin büyük çoğunluğunun (eriyen buzda olduğu gibi) normal ısıtma aşamasında değil, faz geçişinde olduğuna dikkat edin.