22.1: Основи фазових переходів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 24504

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Фазовий перехід - це коли речовина переходить з твердого, рідкого або газового стану в інший стан. Кожен елемент і речовина можуть переходити з однієї фази в іншу при певному поєднанні температури і тиску.

Фазові зміни

Кожна речовина має три фази, на які вона може змінюватися; тверда, рідка або газ ⁽¹⁾. Кожна речовина знаходиться в одній з цих трьох фаз при певних температурах. Температура і тиск, при якому речовина буде змінюватися, дуже залежать від міжмолекулярних сил, які діють на молекули і атоми речовини ⁽²⁾. Одночасно в одному контейнері може бути дві фази. Зазвичай це відбувається, коли речовина переходить від однієї фази до іншої. Це називається двофазним станом ⁽⁴⁾. У прикладі танення льоду, поки лід тане, в чашці є як тверда вода, так і рідка вода.

Існує шість способів зміни речовини між цими трьома фазами; плавлення, заморожування, випаровування, конденсація, сублімінація та осадження ⁽²⁾. Ці процеси оборотні, і кожна передача між фазами по-різному:

Плавлення: перехід від твердої до рідкої фази
Заморожування: перехід від рідкої фази до твердої фази
Випаровування: перехід від рідкої фази до газової
Конденсація:Перехід від газової фази до рідкої фази
Сублімація: перехід від твердої фази до газової
Осадження: перехід від газової фази до твердої фази

Як працює фазовий перехід

Існує дві змінні, які слід враховувати, дивлячись на фазовий перехід, тиск (P) та температуру (T). Для газового стану залежність між температурою і тиском визначається рівняннями нижче:

Закон про ідеальний газ:

\[ PV=nRT\]

ван дер Ваальса Рівняння стану:

\[ \left(P+a*\frac{n^2}{V^2}\right)\left(V-nb\right)=nRT\]

Де V - об'єм, R - газова постійна, а n - кількість молів газу.

Закон ідеального газу передбачає, що ніякі міжмолекулярні сили ніяк не впливають на газ, тоді як рівняння ван дер Ваальса включає дві константи, a і b, які враховують будь-які міжмолекулярні сили, що діють на молекули газу.

Температура

Температура може змінювати фазу речовини. Один із поширених прикладів - покласти воду в морозильну камеру, щоб змінити її на лід. На зображенні вище ми маємо тверду речовину в ємності. Коли ми ставимо його на джерело тепла, як пальник, тепло передається речовині, збільшуючи кінетичну енергію молекул в речовині. Температура підвищується до тих пір, поки речовина не досягне температури плавлення ⁽²⁾. Оскільки все більше тепла переноситься за межі температури плавлення, речовина починає плавитися і перетворюватися в рідину ⁽³⁾. Цей тип зміни фаз називається ізобаричним процесом, оскільки тиск системи залишається на постійному рівні.

фази температури change.png

Температура плавлення (T _f)

Кожна речовина має температуру плавлення. Температура плавлення - це температура, при якій тверде речовина стане рідиною. При різному тиску для розплавлення речовини потрібні різні температури. Кожен чистий елемент на таблиці Менделєєва має нормальну температуру плавлення, температуру, при якій елемент стане рідким, коли тиск дорівнює 1 атмосфері ⁽²⁾.

Точка кипіння (T _b)

Кожна речовина також має температуру кипіння. Температура кипіння - це температура, при якій рідина буде випаровуватися в газ. Температура кипіння буде змінюватися в залежності від температури і тиску. Так само, як і температура плавлення, кожен чистий елемент має нормальну температуру кипіння при 1 атмосфері ⁽²⁾.

Тиск

Тиск також може використовуватися для зміни фази речовини. На малюнку вище у нас є контейнер, оснащений поршнем, який ущільнює газ. У міру того, як поршень стискає газ, тиск збільшується. Як тільки температура кипіння буде досягнута, газ конденсується в рідину. Оскільки поршень продовжує стискати рідину, тиск буде збільшуватися, поки не буде досягнута температура плавлення. Потім рідина застигне в тверду речовину. Цей приклад для ізотермічного процесу, де температура постійна і змінюється тільки тиск.

Фаза тиску change.png

Коротке пояснення фазової діаграми

Фазовий перехід можна представити за допомогою фазової діаграми. Діаграма стану - це візуальне уявлення про те, як речовина змінює фази.

фаза diagram.png

Це приклад фазової діаграми. Часто, коли вас запитують про фазовий перехід, вам потрібно буде звернутися до фазової діаграми, щоб відповісти на нього. Ці діаграми зазвичай мають нормальну температуру кипіння і нормальну температуру плавлення, позначені на них, і мають тиск на осі y і температури на осі x. Нижня крива позначає комбінації температури та тиску, в яких речовина буде сублімінувати ⁽¹⁾. Зліва позначають комбінації температури і тиску, в яких речовина буде плавитися ⁽¹⁾. Нарешті, правою лінією позначаються умови, при яких речовина буде випаровуватися ⁽¹⁾.

Посилання

Оландер, Дональд Р. Загальна термодинаміка. Бока-Ратон: CRC, 2008.
Окстобі, Девід В., Г.П. Гілліс та Алан Кемпіон. «Фазовий перехід». Принципи сучасної хімії. 6-е вид. Сінгапур: Томсон/Брукс/Коул, 2008. 428-30.
Шмідт, Філіп С. Термодинаміка: інтегрована система навчання. Хобокен, Нью-Джерсі: Уайлі, 2006.
Шервін, Кіт. Вступ до термодинаміки. Лондон: Чепмен і Холл, 1994.

Проблеми

1. Використовуючи діаграму стану для вуглекислого газу нижче, поясніть, в якій фазі вуглекислий газ зазвичай знаходиться при стандартній температурі і тиску, 1 атм і 273,15 К.

Фазова діаграма для CO2. З Вікіпедії.

2: Дивлячись на ту ж діаграму, ми бачимо, що вуглекислий газ не має нормальної температури плавлення або нормальної температури кипіння. Поясніть, яка зміна вуглекислого газу робить на 1 атм і оцініть температуру цієї точки.

Рішення

1: Перш ніж ми зможемо повністю відповісти на питання, нам потрібно перетворити дану інформацію, щоб відповідати одиницям на діаграмі. Спочатку ми перетворюємо 25 градусів Кельвіна в Цельсія:\(K=273.15+C\)\[ 298.15-273.25C\] Тепер ми можемо подивитися на діаграму і визначити її фазу. При 25 градусах Цельсія і 1 атм вуглекислий газ знаходиться в газовій фазі.

2: Вуглекислий газ підноситься при 1 атм, оскільки він переходить з твердої фази безпосередньо в газову фазу. Температура сублімації в 1 атм становить близько -80 градусів Цельсія.

Дописувачі та атрибуція

Кірстен Амдал (UC Девіс)