Faza diagrammasi - Phase diagram

Ushbu atamani matematika va fizikada ishlatish uchun qarang o'zgarishlar portreti va fazaviy bo'shliq.
Suv uchun soddalashtirilgan harorat / bosim fazasini o'zgartirish diagrammasi

A o'zgarishlar diagrammasi yilda fizik kimyo, muhandislik, mineralogiya va materialshunoslik ning bir turi jadval termodinamik jihatdan ajralib turadigan sharoitlarni (bosim, harorat, hajm va boshqalar) ko'rsatish uchun ishlatiladi fazalar (qattiq, suyuq yoki gaz holatlari kabi) sodir bo'ladi va birga yashaydi muvozanat.

Umumiy nuqtai

Faza diagrammasining umumiy tarkibiy qismlari muvozanat chiziqlari yoki faza chegaralari, bu muvozanat sharoitida bir nechta fazalar birgalikda yashash sharoitlarini belgilaydigan chiziqlarga ishora qiladi. Faza o'tishlari muvozanat chiziqlari bo'ylab sodir bo'ladi. Metastable fazalar diagrammalarida ko'rsatilmagan, chunki ularning keng tarqalgan bo'lishiga qaramay, ular muvozanat fazalari emas.

Uch ochko muvozanat chiziqlari kesishgan fazalar diagrammasidagi nuqtalar. Uch nuqta uch xil faza birgalikda mavjud bo'lish shartlarini belgilaydi. Masalan, suv fazalari diagrammasi qattiq, suyuq va gazsimon suv barqaror muvozanatda yashashlari mumkin bo'lgan yagona harorat va bosimga mos keladigan uchlik nuqtaga ega (273.16 K va qisman bug 'bosimi 611.657 Pa).

The Solidus moddaning qattiq holatda barqaror turadigan harorati. The likvid moddaning suyuq holatda barqaror turadigan harorati. Solidus va likvidus o'rtasida bo'shliq bo'lishi mumkin; bo'shliq ichida modda kristallar va suyuqlik aralashmasidan iborat (masalan, "atala ").[1]

Ishlaydigan suyuqliklar ko'pincha ularning fazaviy diagrammasi shakliga qarab tasniflanadi.

Turlari

2 o'lchovli diagrammalar

Bosim va harorat

Odatda fazaviy diagramma. Qattiq yashil chiziq ko'p moddalarga tegishli; nuqta yashil chiziq beradi suvning g'ayritabiiy harakati. Yashil chiziqlar muzlash nuqtasi va ko'k chiziq qaynash harorati, ularning bosim bilan qanday o'zgarishini ko'rsatib beradi.

Eng oddiy fazaviy diagrammalar - bu bitta oddiy moddaning bosim-harorat diagrammasi, masalan suv. The o'qlar ga mos keladi bosim va harorat. Faza diagrammasi bosim-harorat fazosida muvozanat chiziqlari yoki fazalarning uch fazalari orasidagi chegaralarni ko'rsatadi qattiq, suyuqlik va gaz.

Faza diagrammasidagi egri chiziqlar erkin energiyaning (va boshqa hosil bo'lgan xususiyatlarning) analitik bo'lmagan nuqtalarini ko'rsatadi: ularning koordinatalariga nisbatan hosilalari (bu misoldagi harorat va bosim) uzluksiz (to'satdan) o'zgaradi. Masalan, muz bilan to'ldirilgan idishning issiqlik quvvati, idish erish nuqtasi yonida qizdirilganda, keskin o'zgaradi. Ochiq joylar, bu erda erkin energiya bu analitik, bitta fazali mintaqalarga to'g'ri keladi. Bir fazali mintaqalar analitik bo'lmagan xatti-harakatlar chiziqlari bilan ajralib turadi, bu erda fazali o'tish sodir bo'ladi, ular deyiladi faza chegaralari.

O'ngdagi diagrammada suyuqlik va gaz o'rtasidagi faza chegarasi cheksiz davom etmaydi. Buning o'rniga u faz diagrammasining bir deb nomlangan nuqtasida tugaydi tanqidiy nuqta. Bu juda yuqori harorat va bosimda suyuq va gazsimon fazalarni ajratib bo'lmaydigan bo'lishini aks ettiradi,[2] a sifatida tanilgan narsada superkritik suyuqlik. Suvda tanqidiy nuqta atrofida bo'ladi Tv = 647.096 K (373.946 ° C), pv = 22.064 MPa (217.75 atm) va rv = 356 kg / m3.[3]

Suyuq-gaz kritik nuqtasining mavjudligi bitta fazali hududlarni belgilashda biroz noaniqlikni ochib beradi. Suyuqlikdan gazsimon fazaga o'tishda, odatda, faza chegarasi kesib o'tadi, ammo tanqidiy nuqtadan o'ng tomonga o'tib, hech qachon chegarani kesib o'tmaydigan yo'lni tanlash mumkin. Shunday qilib, suyuq va gazsimon fazalar bir-biriga uzluksiz aralashishi mumkin. Qattiq va suyuq fazalar chegarasi faqat qattiq va suyuq fazalar bir xil bo'lsa, kritik nuqtada tugashi mumkin simmetriya guruhi.[iqtibos kerak ]

Ko'pgina moddalar uchun fazalar diagrammasidagi qattiq va suyuq fazalar chegarasi (yoki termoyadroviy egri chizig'i) ijobiyga ega Nishab shuning uchun erish nuqtasi bosim bilan ortadi. Bu qattiq faza bo'lgan har doim to'g'ri keladi zichroq suyuqlik fazasiga qaraganda.[4] Berilgan moddaga bosim qanchalik katta bo'lsa, moddaning molekulalari bir-biriga shunchalik yaqinlashadi, bu esa moddaning ta'sirini oshiradi molekulalararo kuchlar. Shunday qilib, modda uning molekulalari uchun qattiq fazaning sobit sxemasidan chiqib, suyuqlik fazasiga kirish uchun etarli energiyaga ega bo'lishi uchun yuqori haroratni talab qiladi. Shunga o'xshash kontseptsiya suyuqlik va gaz fazalarining o'zgarishiga tegishli.[5]

Suv manfiy qiyalikka ega bo'lgan qattiq suyuqlik chegarasiga ega bo'lgan istisno bo'lib, erish nuqtasi bosim bilan kamayadi. Bu muzning (qattiq suv) suyuq suvga qaraganda kamroq zichligi tufayli yuzaga keladi, chunki muzning suvda suzib yurishi shundan dalolat beradi. Molekulyar darajada muz kamroq zichroq, chunki u yanada kengroq tarmoqqa ega vodorod bilan bog'lanish bu suv molekulalarini ko'proq ajratishni talab qiladi.[4] Boshqa istisnolarga quyidagilar kiradi surma va vismut.[6][7]

Nishab qiymati dP/ dT tomonidan berilgan Klauziy-Klapeyron tenglamasi termoyadroviy (eritish) uchun[8]

qaerda ΔHfus har doim ijobiy bo'lgan termoyadroviy issiqligi va ΔVfus bu termoyadroviy uchun tovush o'zgarishi. Ko'pgina moddalar uchun ΔVfus Nishab ijobiy bo'lishi uchun ijobiy bo'ladi. Ammo suv va boshqa istisnolar uchun, ΔVfus Nishab salbiy bo'lishi uchun manfiy bo'ladi.

Boshqa termodinamik xususiyatlar

Faza diagrammasida harorat va bosimdan tashqari, boshqa termodinamik xususiyatlar ham tasvirlangan bo'lishi mumkin. Bunday termodinamik xususiyatlarga misollar kiradi o'ziga xos hajm, o'ziga xos entalpiya yoki aniq entropiya. Masalan, haroratning o'ziga xos entropiyasiga nisbatan bitta komponentli grafikalar (T va boshqalar s) suv uchun /bug ' yoki uchun sovutgich tasvirlash uchun odatda ishlatiladi termodinamik davrlar kabi a Carnot tsikli, Rankin tsikli, yoki bug 'siqishni bilan sovutish tsikl

Ikki o'lchovli diagrammaning gorizontal va vertikal o'qlarida istalgan ikkita termodinamik kattalik ko'rsatilishi mumkin. Qo'shimcha termodinamik kattaliklarning har biri ketma-ket chiziqlar shaklida - egri, tekis yoki egri va tekis kombinatsiya sifatida tasvirlanishi mumkin. Ularning har biri izo-chiziqlar ma'lum bir doimiy qiymatdagi termodinamik miqdorni ifodalaydi.

Suv / bug 'uchun harorat va o'ziga xos entropiya fazasi diagrammasi. Qizil gumbaz ostidagi hududda suyuq suv va bug 'muvozanatda yashaydi. Muhim nuqta gumbazning yuqori qismida joylashgan. Suyuq suv gumbazning chap tomonida joylashgan. Bug 'gumbazning o'ng tomonida. Moviy chiziqlar / egri chiziqlar izobarlar doimiy bosimni ko'rsatmoqda. Yashil chiziqlar / egri chiziqlar izoxorlar doimiy o'ziga xos hajmni ko'rsatish. Qizil egri chiziqlar doimiy sifatni ko'rsatadi.
Bug 'uchun mollier entalpi entropiyasi jadvali - AQSh birliklari.svg
Bug 'uchun bosim-entalpiya jadvali, AQSh birliklarida.svg
Bug 'uchun harorat-entropiya jadvali, AQSh birliklari.svg
entalpiya-entropiya (h–s) bug 'uchun diagrammabosim-entalpiya (p–h) bug 'uchun diagrammaharorat-entropiya (T–s) bug 'uchun diagramma

3 o'lchovli diagrammalar

p–v–T Belgilangan miqdordagi sof material uchun 3D diagramma

Uchta termodinamik miqdorni ko'rsatadigan uch o'lchovli (3D) grafikalarni tasavvur qilish mumkin.[9][10] Masalan, bitta komponent uchun 3D dekartiyali koordinatali grafigi haroratni ko'rsatishi mumkin (T) bitta o'qda bosim (p) ikkinchi o'qda va o'ziga xos hajmda (v) uchdan biriga. Bunday 3D grafaga ba'zan a deyiladi p–v–T diagramma. Muvozanat sharoitlari qattiq, suyuq va bug 'fazalari uchun maydonlar va qattiq va suyuq, qattiq va bug' yoki suyuqlik va bug 'muvozanatda yashaydigan maydonlar bilan 3D shaklida egri sirt ustida egri chiziqlar sifatida ko'rsatilgan. Sirtdagi chiziq a deb nomlanadi uch chiziq Bu erda qattiq, suyuq va bug 'muvozanatda birga bo'lishi mumkin. Kritik nuqta, hatto 3D faz diagrammasida ham sirtdagi nuqta bo'lib qoladi.

Suv uchun, 3D p–v–T diagramma bu erda ko'rinadi:[11]

  • Suv suyuqliklari va tanlangan muzlarning 3D fazaviy diagrammasi

An orfografik proektsiya 3D ning p–v–T Vertikal va gorizontal o'qlar 3D chizig'ini standart 2D bosim-harorat diagrammasiga tushganda bosim va haroratni ko'rsatuvchi grafik. Bu amalga oshirilgandan so'ng, qattiq bug ', qattiq-suyuqlik va suyuq-bug' sirtlari uchburchak nuqtasida to'qnash keladigan mos keladigan uchta egri chiziqqa qulab tushadi, bu uch chiziqning yiqilgan orfografik proektsiyasi.

Ikkilik aralashmalar

Faza diagrammalarining boshqa ancha murakkab turlarini qurish mumkin, ayniqsa bir nechta toza komponent mavjud bo'lganda. Shunday bo'lgan taqdirda, diqqat muhim o'zgaruvchiga aylanadi. Ikkidan ortiq o'lchovli fazaviy diagrammalar tuzilishi mumkin, ular moddaning fazasiga ikkitadan ortiq o'zgaruvchining ta'sirini ko'rsatadilar. Faza diagrammalarida harorat, bosim va kompozitsiyaga qo'shimcha ravishda yoki uning o'rnida boshqa o'zgaruvchilar, masalan, qo'llaniladigan elektr yoki magnit maydonning kuchi ishlatilishi mumkin va ular tarkibida moddalarning faqat uchta holatini oladigan moddalar bo'lishi mumkin.

Temir-temir karbid (Fe-Fe3C) o'zgarishlar diagrammasi. Mavjud uglerod ulushi va harorat temir uglerod qotishmasining fazasini va shuning uchun uning fizik xususiyatlari va mexanik xususiyatlarini belgilaydi. Uglerod ulushi temir qotishma turini aniqlaydi: temir, po'lat yoki quyma temir
Evtektik nuqtani aks ettiruvchi ikkilik tizimning fazaviy diagrammasi.

Faza diagrammasining bir turi haroratni a tarkibidagi ikkita moddaning nisbiy konsentratsiyasiga qarab chizadi ikkilik aralash deb nomlangan ikkilik fazalar diagrammasi, o'ng tomonda ko'rsatilganidek. Bunday aralashma a bo'lishi mumkin qattiq eritma, evtektik yoki perimetrik, Boshqalar orasida. Ushbu ikki turdagi aralashmalar juda boshqacha grafikalarni keltirib chiqaradi. Ikkilik fazali diagrammaning yana bir turi - bu qaynash nuqtasi diagrammasi ikki komponentning aralashmasi uchun, ya'ni. e. kimyoviy birikmalar. Ikkita narsa uchun o'zgaruvchan kabi ma'lum bir bosimdagi komponentlar atmosfera bosimi, qaynash nuqtasi diagrammasi nimani ko'rsatadi bug ' (gaz) kompozitsiyalari mavjud muvozanat haroratga qarab berilgan suyuq kompozitsiyalar bilan. Odatiy qaynash nuqtasi diagrammasida harorat vertikal o'qda va aralash kompozitsiyani gorizontal o'qda chiziladi.

Qaynatish nuqtasi diagrammasi

1 va 2 gipotetik komponentlari bilan oddiy bo'lmagan diagrammaazeotropik aralash o'ng tomonda ko'rsatilgan. Sof tarkibiy qismlarning qaynash nuqtalarini birlashtirgan ikkita alohida egri chiziq borligi, bug 'tarkibi odatda bug' muvozanatda bo'lgan suyuqlik tarkibi bilan bir xil emasligini anglatadi. Qarang Bug '-suyuqlik muvozanati qo'shimcha ma'lumot olish uchun.

Yuqorida aytib o'tilgan fazaviy diagrammalar turlaridan tashqari, minglab boshqa kombinatsiyalar mavjud. Faza diagrammalarining ba'zi bir asosiy xususiyatlari mos keladigan nuqtalarni o'z ichiga oladi, bu erda qattiq faza to'g'ridan-to'g'ri suyuqlikka aylanadi. Shuningdek, mavjud perektoidoid, sovutish paytida ikkita qattiq faza bitta qattiq fazaga birlashadigan nuqta. Buning teskari tomoni, sovutish paytida bitta qattiq faza ikkita qattiq fazaga aylansa, evtektoid deyiladi.

Katta texnologik ahamiyatga ega bo'lgan murakkab faz diagrammasi temir –uglerod 7% dan kam uglerodli tizim (qarang po'lat ).

Bunday diagrammaning x o'qi aralashmaning kontsentratsiyali o'zgaruvchisini aks ettiradi. Aralashmalar odatda suyultirilgandan uzoq bo'lgani uchun va ularning zichligi haroratga bog'liq bo'lib, odatda noma'lum bo'lib, afzal qilingan konsentratsiya o'lchovidir mol qismi. Shunga o'xshash hajmga asoslangan o'lchov molyariya tavsiya etilmaydi.

Kristallar

Polimorfik va poliamorfik moddalar bir necha bor kristall yoki amorf qattiq, suyuq va gaz fazalariga o'xshash tarzda chizish mumkin bo'lgan fazalar.

Kirish liniyasi suvning bosim-harorat fazasi diagrammasi. The Rim raqamlari turli xilligini bildiradi muz fazalari.[12]

Mezofazlar

Ba'zi organik materiallar qattiq va suyuqlik orasidagi oraliq holatlardan o'tadi; ushbu davlatlar deyiladi mezofazalar. Mezofazalarga e'tibor qaratildi, chunki ular imkon beradi displey qurilmalari deb atalmish orqali tijorat ahamiyatiga ega bo'ldi suyuq kristal texnologiya. Mezofazalar paydo bo'lishini tavsiflash uchun fazaviy diagrammalardan foydalaniladi.[13]

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ Predel, Bruno; Xoch, Maykl J. R .; Hovuz, Monte (2004). Faza diagrammasi va heterojen muvozanat: Amaliy kirish. Springer. ISBN  978-3-540-14011-5.
  2. ^ Papon, P .; Leblond, J .; Meijer, P. H. E. (2002). Faza o'tish fizikasi: tushuncha va qo'llanilishi. Berlin: Springer. ISBN  978-3-540-43236-4.
  3. ^ Suv va bug 'xususiyatlari xalqaro assotsiatsiyasi "Suvning asosiy fizik doimiylari va asosiy doimiylaridan foydalanish bo'yicha ko'rsatma", 2001, p. 5
  4. ^ a b Uitten, Kennet V.; Galley, Kennet D.; Devis, Raymond E. (1992). Umumiy kimyo (4-nashr). Saunders kollejining nashriyoti. p.477.
  5. ^ Dorin, Genri; Demmin, Piter E.; Gabel, Doroti L. (1992). Kimyo: Moddalarning mohiyatini o'rganish (To'rtinchi nashr). Prentice Hall. pp.266–273. ISBN  978-0-13-127333-7.
  6. ^ Averill, Bryus A.; Eldredj, Patrisiya (2012). "11.7 bosqich diagrammasi". Umumiy kimyo tamoyillari. Creative Commons.
  7. ^ Petrucci, Ralf H.; Xarvud, Uilyam S.; Herring, F. Geoffrey (2002). Umumiy kimyo. Printsiplar va zamonaviy qo'llanmalar (8-nashr). Prentice Hall. p. 477.
  8. ^ Laidler, Keyt J.; Meiser, Jon H. (1982). Jismoniy kimyo. Benjamin / Cummings. 173-74 betlar.
  9. ^ Zemanskiy, Mark V.; Dittman, Richard H. (1981). Issiqlik va termodinamika (6-nashr). McGraw-Hill. Anjir. 2-3, 2-4, 2-5, 10-10, P10-1. ISBN  978-0-07-072808-0.
  10. ^ Veb-applet: Suv, karbonat angidrid va ammiak uchun 3 fazali diagrammalar. Tasvirlangan Glasser, Lesli; Herraes, Anxel; Hanson, Robert M. (2009). "Jmol-dan foydalangan holda interfaol 3D faza diagrammasi". Kimyoviy ta'lim jurnali. 86 (5): 566. Bibcode:2009JChEd..86..566G. doi:10.1021 / ed086p566.
  11. ^ Devid, Karl (2016-08-08). "Verwiebe" ning "3-D" muz fazasi diagrammasi qayta ishlandi ". Kimyo fanidan o'quv materiallari.
  12. ^ Xuddi shunday diagrammani saytdagi suv inshooti va fanidan topish mumkin. Suv tuzilishi va fan Martin Chaplinning sayti, 2015 yil 2-iyulda kirilgan.
  13. ^ Chandrasekhar, Sivaramakrishna (1992). Suyuq kristallar (2-nashr). Kembrij universiteti matbuoti. 27–29, 356 betlar. ISBN  978-0-521-41747-1.

Tashqi havolalar