Διαγράμματα Φάσεων

Βασική ιδέα

Σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθετε για τα κύρια χαρακτηριστικά των διαγραμμάτων φάσεων , που ονομάζεται επίσης διαγράμματα αλλαγής φάσης , καθώς και άλλους τύπους διαγραμμάτων και πώς να ερμηνεύσετε και να κατανοήσετε τη σημασία τους.

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

• Κατάσταση ύλης
• Τι είναι η πίεση;
• Ιδιότητες στερεών, υγρών, αερίων
• Διαμοριακές δυνάμεις
• Φυσικές έναντι χημικών ιδιοτήτων
• Heat of Fusion

Λεξιλόγιο

• Συμπύκνωση – όταν μια ουσία περνά από αέρια σε υγρή κατάσταση
• Ατμοποίηση – όταν μια ουσία περνά από υγρή σε αέρια κατάσταση
• Fusion – όταν μια ουσία περνά από υγρή σε στερεή κατάσταση
• Λήξη – όταν μια ουσία περνά από στερεά σε υγρή κατάσταση
• Εξάχνωση – όταν η ουσία μεταβαίνει απευθείας από στερεά σε αέρια κατάσταση
• Κατάθεση – όταν μια ουσία μεταβαίνει απευθείας από την αέρια σε στερεή κατάσταση
• Αλλαγή φάσης – όταν μια ουσία αλλάζει από μια κατάσταση ύλης σε μια άλλη (π.χ. στερεό σε υγρό ή υγρό σε αέριο)

Τι είναι τα διαγράμματα Phase Chase;

Μια μετάβαση φάσης συμβαίνει όταν μια ουσία αλλάζει από μια κατάσταση ύλης σε μια άλλη κατάσταση. Υπάρχουν τρεις κύριες καταστάσεις της ύλης:υγρή, στερεή και αέρια.

Ένα διάγραμμα φάσης είναι μια γραφική παράσταση που απεικονίζει τις διαφορετικές φάσεις μιας ουσίας σε πολλές μεταβλητές, τις περισσότερες φορές τη θερμοκρασία και την πίεση. Το διάγραμμα μπορεί να βοηθήσει στην επίδειξη του τρόπου με τον οποίο η αλλαγή αυτών των μεταβλητών επηρεάζει την κατάσταση της ύλης μιας συγκεκριμένης ουσίας.

Διάγραμμα φάσης πίεσης-θερμοκρασίας

Το διάγραμμα φάσης πίεσης-θερμοκρασίας είναι ο πιο κοινός και βασικός τύπος.

Ένα διάγραμμα φάσης του τύπου που φαίνεται παραπάνω απεικονίζει την πίεση (σε ατμόσφαιρες) σε σχέση με τη θερμοκρασία (σε βαθμούς Κελσίου ή Kelvin). Οι συμπαγείς γραμμές αντιπροσωπεύουν τα όρια φάσης, που ονομάζονται επίσης «καμπύλες συνύπαρξης», επειδή υπάρχουν δύο φάσεις που συνυπάρχουν σε ισορροπία μεταξύ τους. Η μπλε γραμμή δείχνει το σημείο βρασμού ή τη μετάβαση μεταξύ υγρής και αέριας κατάστασης, η πράσινη γραμμή δείχνει το σημείο πήξης ή τη μετάβαση μεταξύ υγρής και στερεάς κατάστασης και η κόκκινη γραμμή δείχνει τις συνθήκες όπου μια στερεά κατάσταση μπορεί να μετατραπεί απευθείας σε αέρια φάση και αντίστροφα.

Περιγραφές διαγραμμάτων φάσεων

Ακολουθούν μερικές κοινές λέξεις και φράσεις που θα ακούσετε όταν μαθαίνετε για τα διαγράμματα αλλαγής φάσης.

Καμπύλη σύντηξης (τήξη ή κατάψυξη) – η καμπύλη που δείχνει τη μετάβαση μεταξύ υγρών και στερεών καταστάσεων

Καμπύλη εξάτμισης (ή συμπύκνωσης) – η καμπύλη που δείχνει τη μετάβαση μεταξύ αέριας και υγρής κατάστασης

Καμπύλη εξάχνωσης (ή εναπόθεσης) – η καμπύλη που δείχνει τη μετάβαση μεταξύ αέριων και στερεών καταστάσεων

Τριπλό σημείο – το σημείο θερμοκρασίας και πίεσης στο οποίο συνυπάρχουν αέριο, υγρό και στερεό σε ισορροπία

Κρίσιμο σημείο – το σημείο θερμοκρασίας και πίεσης στο οποίο η ουσία δεν διακρίνεται μεταξύ υγρών και αέριων καταστάσεων

Όριο φάσης – η γραμμή που δείχνει τις συνθήκες υπό τις οποίες συνυπάρχουν δύο καταστάσεις ύλης σε ισορροπία

Η ειδική περίπτωση του νερού

Μια ειδική περίπτωση που συζητείται συνήθως είναι το διάγραμμα φάσεων του νερού. Στο διάγραμμα από πάνω, η διακεκομμένη πράσινη γραμμή αντιπροσωπεύει την καμπύλη συνύπαρξης στερεού-υγρού στο διάγραμμα φάσης του νερού.

Μπορούμε να δούμε ότι για τη μέση ουσία, η αύξηση της πίεσης του υγρού θα την κάνει να διασχίσει την καμπύλη και να γίνει στερεό. Ωστόσο, για το νερό, η αύξηση της πίεσης του στερεού (πάγου) μπορεί να το κάνει να διασχίσει την καμπύλη και να γίνει υγρό. Αυτή η συμπεριφορά είναι συνέπεια της χαμηλής πυκνότητας της κρυσταλλικής δομής του πάγου, η οποία περιέχει μεγάλη ποσότητα ελεύθερου χώρου λόγω δεσμών υδρογόνου.

Άλλοι τύποι διαγραμμάτων Phase Chase

Το διάγραμμα φάσης πίεσης-θερμοκρασίας δεν είναι ο μόνος τύπος. Υπάρχουν πολλές θερμοδυναμικές μεταβλητές που μπορούν να επηρεάσουν τη συμπεριφορά φάσης μιας ουσίας, συμπεριλαμβανομένου του όγκου, της εντροπίας, της ενθαλπίας και του χημικού δυναμικού. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οποιαδήποτε από αυτές τις μεταβλητές για να δημιουργήσετε ένα διάγραμμα φάσης που δείχνει για ποιες τιμές δύο μεταβλητών ένα δείγμα είναι στερεό, υγρό ή αέριο.

Δεδομένου ότι ένα δισδιάστατο διάγραμμα μπορεί να δείξει μόνο δύο μεταβλητές ως άξονες, μερικές φορές μια τρίτη μεταβλητή θα εμφανιστεί μέσω καμπυλών που δείχνουν πού αυτή η μεταβλητή είναι σταθερή. Έχουν διαφορετικά ονόματα ανάλογα με τη μεταβλητή που αντιπροσωπεύουν. Για παράδειγμα, μια ισόβαρη δείχνει σταθερή πίεση, μια ισοχώρη σταθερή όγκο και μια ισόθερμη σταθερή θερμοκρασία.

Διαγράμματα φάσεων 3D

Τρισδιάστατα διαγράμματα αλλαγής φάσης σχεδιάζουν τρεις θερμοδυναμικές μεταβλητές και δείχνουν περιοχές του χώρου που αντιστοιχούν σε διαφορετικές φάσεις. Σε αυτόν τον τύπο διαγράμματος, έχουμε μια τριπλή γραμμή αντί για ένα τριπλό σημείο, και επιφάνειες συνύπαρξης αντί για καμπύλες συνύπαρξης. Ακολουθεί ένα γενικό τρισδιάστατο διάγραμμα που απεικονίζει τη θερμοκρασία, την πίεση και τον συγκεκριμένο όγκο.

Δυαδικά μείγματα

Τα δυαδικά μείγματα έχουν διαγράμματα φάσεων που απεικονίζονται σε γραφική παράσταση ως προς τη σύνθεση, που συνήθως αντιπροσωπεύονται ως μοριακό κλάσμα ενός συστατικού. Αυτό δείχνει πώς η συμπεριφορά φάσης του μείγματος εξαρτάται από τη συγκεκριμένη σύνθεση του δείγματος. Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά αυτού του τύπου οικοπέδου είναι τοευτηκτικό σημείο , που είναι το σημείο στο διάγραμμα όπου το σημείο τήξης είναι χαμηλότερο, και συνήθως πέφτει κάπου στη μέση. Στο παρακάτω διάγραμμα, μπορείτε να βρείτε το ευτηκτικό σημείο σε περίπου 40 mol % νιτρικού αμμωνίου.

Κρύσταλλοι και πολύμορφα

Τα κρυσταλλικά στερεά μπορούν να έχουν πολλαπλές πιθανές δομές, εξαρτώμενες από θερμοδυναμικές μεταβλητές. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μπορεί να ακούσετε κάποιον να μιλά για διαφορετικές μορφές πάγου, όπως ice II, ice III ή ice IV. Μπορεί επίσης να δείτε πολλά ορυκτά με τον ίδιο χημικό τύπο, όπως ο ασβεστίτης και ο αραγωνίτης, τα οποία είναι επίσης διαφορετικές κρυσταλλικές φάσεις (πολύμορφα) της ίδιας ουσίας. Σε περιπτώσεις όπως αυτή, είναι σύνηθες να βλέπουμε ένα διάγραμμα φάσης με πολλές φάσεις, οι οποίες είναι όλες συμπαγείς.

Περαιτέρω ανάγνωση – Διαγράμματα αλλαγής φάσης

Προσεγμένο επιστημονικό κόλπο:Παγώστε αμέσως το νερό (Στο blog της Susan Koch)

• Ποσοστιαία απόδοση
• Κοινό φαινόμενο ιόντων
• Ηλεκτρόνια σθένους
• Προβολές Newman
• Συλλογικές ιδιότητες
• Ενθαλπία δεσμού
• Εξίσωση Clausius Clapeyron