Фазові переходи: типи, класифікації, властивості та приклади (з діаграмою)

У кожного є пам’ять, коли вона була дитиною, і морозиво несподівано (і небажано) розтануло. Можливо, ви були на пляжі, намагаючись не відставати від потоків розтопленого морозива, що стікали по ваших пальцях, але потім вся совка впала в пісок. Можливо, ви занадто довго залишали морозиво на сонці і повернулися до калюжі світиться цукрової води. Незалежно від вашого досвіду, у більшості людей є якась чітка пам’ять про щось утверда фазаперехід дорідка фазата наслідки цих змін.

Звичайно, фізики мають конкретну мову, щоб описати ці фазові зміни між різними станами речовини. Не повинно бути несподіванкою, що різні фізичні властивості матеріалів визначають їх поведінку, включаючи температуру, при якій вони зазнають фазових змін. Дізнавшись, як ви розраховуєте енергію, витрачену в ці фази, змінюється і трохи про відповідну фізичну властивості мають вирішальне значення для розуміння всього, від танення льоду до більш незвичайних процесів, таких як сублімація.

Більшість людей знайомі з трьома основними фазами речовини: твердою, рідкою та газовою. Однак існує також четвертий стан речовини, який називається плазмою, який буде коротко описаний далі в цій статті. Тверді речовини найпростіше зрозуміти; речовина в твердому стані тримає форму і не стискається до помітного ступеня.

На прикладі води, лід - це твердий стан, і інтуїтивно зрозуміло, що лід розіб’ється перед вами змогли стиснути його на менший об’єм, і навіть тоді розбитий лід все одно зайняв би те саме гучність. Ви також можете подумати про губку як про можливий приклад, але в такому випадку, коли ви її "стискаєте", ви справді просто видаливши всі повітряні отвори, які він містить у своєму природному стані - фактична тверда речовина не потрапляє стиснута.

Рідини приймають форму контейнера, в якому вони перебувають, але вони нестисливі так само, як і тверді речовини. Знову ж таки, рідина води є прекрасним прикладом цього, тому що вона так звична: воду можна додати в будь-яку форма контейнера, але ви не можете фізично стиснути його, щоб він зайняв менше об’єму, ніж це робиться в природі держава. З іншого боку, такі гази, як водяна пара, заповнюють форму контейнера, в якому вони перебувають, але можуть стискатися.

Поведінка кожного пояснюється його атомною структурою. У твердому тілі існує регулярне гратне розташування атомів, тому воно утворює кристалічну структуру або принаймні аморфну ​​масу, оскільки атоми закріплені на місці. У рідині молекули або атоми вільно рухаються, але частково з’єднані за допомогою водневого зв’язку, тому вона вільно тече, але має деяку в’язкість. У газі молекули повністю розділені, без міжмолекулярних сил, що утримують їх разом, саме тому газ може розширюватися і стискатися набагато вільніше, ніж тверді речовини або рідини.

Коли ви додаєте тепло до твердої речовини, вона підвищує свою температуру, поки не досягне точки плавлення, на якій все змінюється. Теплова енергія, яку ви додаєте, коли перебуваєте в точці плавлення, не змінює температуру; він забезпечує енергію для фазового переходу з твердої фази в рідку, яку зазвичай називають плавленням.

Рівняння, що описує процес плавлення:

ДеL​_f - прихована теплота плавлення для матеріалу,м- маса речовини іПитання- це додане тепло. Як показує рівняння, одиницями прихованої теплоти є енергія / маса, або джоулі на кг, г або інший показник маси. Приховану теплоту плавлення іноді називають ентальпією плавлення, а іноді просто прихованою теплотою плавлення.

Для будь-якої конкретної речовини - наприклад, якщо ви дивитесь конкретно на танення льоду - існує певна температура переходу, при якій це відбувається. Для плавлення льоду у рідкій воді температура фазового переходу становить 0 градусів Цельсія або 273,15 Кельвіна. Ви можете знайти в Інтернеті приховану теплоту плавлення багатьох поширених матеріалів (див. Ресурси), але для льоду це 334 кДж / кг.

Той самий процес, що і для плавлення, відбувається при випаровуванні речовини, за винятком того, що температура, при якій відбувається фазовий перехід, є температурою кипіння речовини. Однак таким же чином додаткова енергія, яку ви віддаєте речовині в цей момент, переходить у фазовий перехід, в даному випадку з рідкої фази в газову. Тут використовується термін прихована теплота випаровування (або ентальпія випаровування), але концепція точно така ж, як і для прихованої теплоти плавлення.

Рівняння також набуває тієї ж форми:

ДеL​_v цей час - прихована теплота випаровування (див. "Ресурси" для таблиці значень для звичайних матеріалів). Знову ж таки, існує специфічна температура переходу для кожної речовини, рідина води переживає цей перехід при 100 С або 373,15 Кельвіна. Отже, якщо ви нагріваєте певну масумводи від кімнатної температури до температури кипіння, а потім її випаровування, є два етапи розрахунок: енергія, необхідна для доведення її до 100 С, а потім енергія, необхідна для випаровування це.

Хоча фазовий перехід від твердої речовини до рідини (тобто плавлення) та перехід від рідини до газу (випаровування) є найбільш часто зустрічаються, існує багато інших переходів, які можуть відбутися. Зокрема,сублімація- це коли речовина зазнає фазовий перехід з твердої фази безпосередньо в газоподібну фазу.

Найвідоміший приклад такої поведінки - сухий лід, який насправді є твердим вуглекислим газом. При кімнатній температурі та атмосферному тиску він сублімується безпосередньо в газ вуглекислий газ, і це робить його загальним вибором для театральних ефектів туману.

Протилежність сублімації єосадження, де газ зазнає зміни стану безпосередньо на твердий. Це ще один тип фазового переходу, який рідше обговорюється, але все ще зустрічається в природі.

Тиск має великий вплив на температуру, при якій відбуваються фазові переходи. При більш високому тиску точка випаровування вища, і вона зменшується при менших тисках. Ось чому вода кипить при нижчій температурі, коли ви перевищуєте висоту, бо тиск нижчий, а отже, і температура кипіння теж. Цей взаємозв'язок зазвичай демонструється на фазовій діаграмі, яка має осі температури і тиску, а також лінії, що розділяють тверду, рідку та газову фази для даної речовини.

Якщо ви уважно розглянете фазову діаграму, ви помітите, що існує конкретна точка, в якій речовина знаходиться на перетині всіх трьох основних фаз (тобто газової, рідкої та твердої фаз). Це називаєтьсяпотрійний бал, або критична точка для речовини, і це відбувається при певній критичній температурі та критичному тиску.

Четвертий стан речовини - плазма. Це дещо відрізняється від інших станів речовини, оскільки технічно це газ, який був іонізований (тобто, коли були видалені електрони так що складові атоми мають чистий електричний заряд), і тому він не має фазового переходу так само, як інші стани матерія.

Його поведінка дуже відрізняється від типового газу, оскільки, хоча його можна вважати електрично «квазінейтральним» (оскільки в протоколі рівна кількість протонів та електронівцілеплазма), є кишені концентрованого заряду і результуючі струми. Плазма також реагує на електричні та магнітні поля так, як це не робить типовий газ.

Одним з найбільш відомих способів опису переходів між різними фазами є система класифікації Еренфеста, який розділяє переходи на фазові переходи першого та другого порядку, і сучасна система сильно заснована на це. "Порядок" переходу відноситься до похідної найнижчого порядку від термодинамічної вільної енергії, яка демонструє розрив. Наприклад, переходи між твердими речовинами, рідинами та газами є фазовими переходами першого порядку, оскільки приховане тепло створює розрив у похідній вільної енергії.

Фазовий перехід другого порядку має розрив у другій похідній вільної енергії, але в процесі не бере участь прихованого тепла, тому їх вважають безперервною фазою переходи. Приклади включають перехід до надпровідності (тобто точки, в якій щось стає надпровідником) та ферромагнітний фазовий перехід (як описано моделлю Ізінга).

Теорія Ландау використовується для опису поведінки системи, особливо навколо критичної точки. Взагалі кажучи, порушується симетрія при температурі фазового переходу, і це особливо корисно при описують переходи в рідких кристалах, причому фаза високої температури містить більше симетрій, ніж низька температура фаза.

Припустимо, у вас є 1-кілограмовий лід при 0 ° С, і ви хочете розтопити лід і підняти температуру до 20 ° С, трохи більше стандартної кімнатної температури. Як вже згадувалося раніше, у будь-якому розрахунку є дві частини, такі як ця: Вам потрібно обчислити фазу змінити, а потім використовувати звичайний підхід для розрахунку енергії, необхідної для підвищення температури на задану сума.

Прихована теплота плавлення водного льоду становить 334 кДж / кг, тому, використовуючи рівняння з попереднього:

Отже, танення льоду, конкретно 1 кг, займає 334 кілоджоулі енергії. Звичайно, якщо ви працювали з більшою або меншою кількістю льоду, 1 кг просто замінили б на відповідне значення.

Тепер, коли ця енергія буде передана льоду, вона зміниться фазоюалеяк і раніше повинна бути при температурі 0 С. Щоб розрахувати кількість тепла, яке потрібно було б додати, щоб підвищити температуру до 20 С, вам просто потрібно знайти питому теплоємність води (C.= 4182 Дж / кг ° С) і використовуйте стандартний вираз:

Де ∆Тозначає зміну температури. Це легко зрозуміти з наявною інформацією: Необхідна зміна температури становить 20 ° C, тому решта процесу - це просто вставлення значень та обчислення:

Тому весь процес (тобто плавлення льоду та нагрівання води) вимагає:

Таким чином, більша частина енергії надходить від процесу плавлення, а не від нагрівання. Зауважте, що цей розрахунок спрацював лише тому, що одиниці виміру були незмінними протягом усього часу - маса завжди була в кг, і енергія була перетворена в кДж для остаточного додавання - і вам слід завжди перевіряти це перед спробою a розрахунок.

А тепер уявіть, що ви взяли 1 кг води при 20 С з останнього прикладу і хочете перетворити її у водяну пару. Спробуйте вирішити цю проблему, перш ніж читати вперед, оскільки процес по суті такий же, як і раніше. Спочатку потрібно розрахувати кількість теплової енергії, необхідної для доведення води до температури кипіння, а потім можна продовжувати і визначати, скільки додаткової енергії потрібно для випаровування води.

Перший етап подібно до другого етапу попереднього прикладу, за винятком тепер ∆Т= 80 С, оскільки температура кипіння рідкої води дорівнює 100 С. Отже, використання того самого рівняння дає:

З моменту, коли було додано стільки енергії, решта енергії піде на випаровування рідини, і вам потрібно буде обчислити її, використовуючи інший вираз. Це є:

ДеL​_v = 2256 кДж / кг для рідкої води. Зауваживши, що в цьому прикладі є 1 кг води, ви можете розрахувати:

Додавання обох частин процесу разом дає загальну кількість необхідного тепла:

Знову зауважимо, що переважна більшість теплової енергії, яка використовується в цьому процесі (як при таненні льоду), знаходиться у фазовому переході, а не в звичайній стадії нагрівання.