Fázy hmoty a fázové diagramy

Taylor Davidson / EyeEm / Getty Images

A fázový diagram je grafickým znázornením tlak a teplota materiálu. Fázové diagramy zobrazujú stav záležitosť pri danom tlaku a teplote. Zobrazujú hranice medzi fázami a procesmi, ktoré sa vyskytujú, keď sa tlak a/alebo teplota zmení tak, aby prekročila tieto hranice. Tento článok načrtáva, čo sa dá naučiť z fázového diagramu a ako ho čítať.

Fázové diagramy - Fázy hmoty a fázové prechody

Toto je príklad dvojrozmerného fázového diagramu zobrazujúceho fázové hranice a farebne kódované fázové oblasti. Todd Helmenstine

Jednou z vlastností hmoty je jej stav. stavy hmoty zahŕňajú pevný , kvapalina alebo plynu fázy. Pri vysokých tlakoch a nízkych teplotách je látka v tuhej fáze. Pri nízkom tlaku a vysokej teplote je látka v plynnej fáze. Medzi týmito dvoma oblasťami sa objaví kvapalná fáza. V tomto diagrame je bod A v pevnej oblasti. Bod B je v kvapalnej fáze a bod C je v plynnej fáze.

Čiary na fázovom diagrame zodpovedajú deliacim čiaram medzi dvoma fázami. Tieto čiary sú známe ako fázové hranice. V bode na fázovej hranici môže byť látka buď v jednej alebo v druhej fáze, ktorá sa objavuje na oboch stranách hranice. Tieto fázy existujú vo vzájomnej rovnováhe.

Na fázovom diagrame sú dva body záujmu. Bod D je bod, kde sa stretávajú všetky tri fázy. Keď je materiál pri tomto tlaku a teplote, môže existovať vo všetkých troch fázach. Tento bod sa nazýva trojitý bod .

Ďalším bodom záujmu je, keď sú tlak a teplota dostatočne vysoké na to, aby nebolo možné rozoznať rozdiel medzi plynnou a kvapalnou fázou. Látky v tejto oblasti môžu nadobudnúť vlastnosti a správanie plynu aj kvapaliny. Táto oblasť je známa ako oblasť nadkritickej tekutiny. Minimálny tlak a teplota, kde k tomu dôjde, bod E na tomto diagrame, je známy ako kritický bod.

Niektoré fázové diagramy zvýrazňujú ďalšie dva body záujmu. Tieto body sa vyskytujú, keď sa tlak rovná 1 atmosfére a prekročí fázovú hranicu. Teplota, pri ktorej bod prekročí hranicu tuhá látka/kvapalina, sa nazýva normálny bod mrazu. Teplota, pri ktorej bod prekročí hranicu kvapalina/plyn, sa nazýva normálny bod varu. Fázové diagramy sú užitočné na zobrazenie toho, čo sa stane, keď sa tlak alebo teplota presunie z jedného bodu do druhého. Keď dráha prekročí hraničnú čiaru, dôjde k zmene fázy.

Názvy fázových zmien

Každý hraničný priechod má svoj vlastný názov v závislosti od smeru, ktorým sa hranica prekračuje.

Pri prechode z tuhej fázy do kvapalnej fázy cez hranicu tuhá látka/kvapalina sa materiál topí.

Pri pohybe v opačnom smere, z kvapalnej fázy na tuhú fázu, materiál mrzne.

Pri prechode medzi tuhou fázou a plynnou fázou dochádza k sublimácii materiálu. V opačnom smere, plynnej fáze k pevnej fáze, dochádza k ukladaniu materiálu.

Prechod z kvapalnej fázy do plynnej fázy sa nazýva odparovanie. Opačný smer, plynná fáza ku kvapalnej fáze, sa nazýva kondenzácia.

V súhrne:
pevná látka → kvapalina: topenie
kvapalina → pevná látka: zmrazenie
pevná látka → plynná: sublimácia
plyn → tuhá látka: usadzovanie
kvapalina → plyn: odparovanie
plyn → kvapalina: kondenzácia

Existujú aj iné fázy hmoty, napríklad plazma. Tieto však nemajú tendenciu byť zahrnuté do fázových diagramov, pretože na vytvorenie týchto fáz sú potrebné špeciálne podmienky.

Niektoré fázové diagramy obsahujú ďalšie informácie. Napríklad fázový diagram pre látku, ktorá tvorí kryštál, môže obsahovať čiary, ktoré označujú rôzne možné kryštálové formy. Fázový diagram vody môže zahŕňať teploty a tlaky, pri ktorých ľad vytvára ortorombické a šesťuholníkové kryštály. Fázový diagram organickej zlúčeniny môže zahŕňať mezofázy, čo sú prechodné fázy medzi pevnou látkou a kvapalinou. Mezofázy sú obzvlášť zaujímavé pre technológiu tekutých kryštálov.

Zatiaľ čo fázové diagramy vyzerajú na prvý pohľad jednoducho, obsahujú množstvo informácií týkajúcich sa materiálu pre tých, ktorí sa ich učia čítať.

Zdroje

• Dorin, Henry; Demmin, Peter E.; Gable, Dorothy L. Chémia: Štúdium hmoty (4. vydanie). Prentice Hall. s. 100-1 266–273. ISBN 978-0-13-127333-7.
• Papon, P.; Leblond, J.; Meijer, P. H. E. (2002). Fyzika fázových prechodov: koncepty a aplikácie . Berlín: Springer. ISBN 978-3-540-43236-4.
• Predel, Bruno; Hoch, Michael J.R.; Bazén, Monte (2004). Fázové diagramy a heterogénne rovnováhy: Praktický úvod . Springer. ISBN 978-3-540-14011-5.
• Zemansky, Mark W.; Dittman, Richard H. (1981). Teplo a termodynamika (6. vydanie). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-072808-0.