Fázisdiagram

Egy fázisdiagramja , vagy fázis diagramot , egy grafikus ábrázolása használt termodinamika , általában két vagy három méretei , ami a domének a fizikai állapotban (vagy fázis ) egy rendszer ( tiszta anyag vagy keverék tiszta anyagok), mint egy funkciót a vizsgált jelenségek megértésének megkönnyítésére választott változók közül.

A legegyszerűbb diagramok egy tiszta anyagra vonatkoznak, amelynek hőmérséklete és nyomása változóként szerepel  ; A többi változó gyakran használt entalpia , entrópia , tf , valamint a tömege vagy térfogata koncentrációja az egyik a tiszta anyagok alkotó keverék.

Amikor a vizsgált rendszer n tiszta test keveréke , annak fizikai állapotát az alkotórészek (n-1) független aránya, valamint a hőmérséklet és a nyomás határozza meg. A kétváltozós diagram tehát csak az (n-1) rendszerváltozók rögzítésével hozható létre .

Ez egy olyan egyensúlyi diagram, amely nem teszi lehetővé metasztabil állapotú rendszer leírását, például folyékony vizet normál légköri nyomáson 0  ° C alatti hőmérsékleten ( túlhűtés ). 2009 elején a könnyű egyszerű elemek összes fázisdiagramját elkészítették, kivéve a bórét, amelynek gyorsan elérhetőnek kell lennie a „ gamma-bór  ” nevű új bórforma (részben ionos, de a nehezebbet képező) bór sikeres szintézisét követően. és sűrűbb bór)

Tiszta test vázlata

A tiszta anyag egy vagy több szilárd, folyékony és gázfázisban van jelen, a nyomástól és a hőmérsékleti körülményektől függően. Általában egy tiszta anyag egyetlen fázisban létezik adott nyomáson és hőmérsékleten, kivéve:

• meg a hármas ponton , ahol a 3 fázis van együtt jelen egy adott hőmérsékleten és nyomáson;
• az állapotváltozásnak (vagy fázisátmenetnek ) megfelelő pár (nyomás, hőmérséklet ) esetén:
  • 2 szilárd fázis között: átalakulás 2 allotrop fajta között  ;
  • szilárd fázis és folyékony fázis között: fúzió - megszilárdulás  ;
  • szilárd fázis és gőzfázis (gáz) között: szublimáció - szilárd kondenzáció  ;
  • folyékony és gőzfázis között: párolgás - cseppfolyósítás  ; a folyadék-gőz állapotváltozási görbe megszakad a kritikus pontnak nevezett ponton , amelyen túl a test csak egy folyadékfázist mutat , meglehetősen közel (fizikai tulajdonságai szempontjából) a kritikus nyomás alatti nyomás alatti gázhoz, inkább közel egy folyadékhoz a kritikus nyomás feletti nyomáson.

Amikor az összes ábrázolt fázis különböző fizikai állapotoknak felel meg, néha az állapotváltozás diagramjáról beszélünk.

Általános szabály, hogy a P = f ( T ) állapotváltozás görbéi növekednek. Figyelemre méltó kivétel a vízé, amelynél az olvadás - megszilárdulás görbe csökken (ez azt jelenti, hogy a jég folyékony vízen úszik).

A görbe meredekségét a Clapeyron képlet adja meg  :

dPdT=LTΔV{\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} P} {\ mathrm {d} T}} = {\ frac {L} {T \, \ Delta V}}}

val vel:

• L  : látens hő egyenlő a Δ H ( entalpia változása ) az állapotváltozás végzett állandó nyomáson;
• Δ V  : az V moláris térfogat változása a fázisváltozás során.

Példák diagramokra

A víz különleges esete

1. megjegyzés A légkörrel érintkezésbe kerülő tiszta test nem egyetlen tiszta testből álló rendszer, mert a levegőben lévő gázokat figyelembe kell venni. Ez megmagyarázza például, hogy a víz folyékony állapotban és gőz állapotban környezeti hőmérsékleten, a forráspontjától ( normál légköri nyomáson 100  ° C) nagyon távol áll együtt . Valójában a vízgőz parciális nyomása jóval alacsonyabb, mint a légköri nyomás. A vízgőz nyomása, az úgynevezett telített gőznyomása, a sorrendben 0,006  atm át 0  ° C-on , fokozatosan növekszik legfeljebb 100  ° C , ahol eléri 1  atm . Ebben a szakaszban a levegő légköri nyomása már nem játszik szerepet takarásban, és a vízmolekulák hirtelen kiszöknek a közegből: ez a forralás jelensége . Ha a légnyomást vákuumszivattyú csökkenti, a víz forrása akár a környezeti hőmérsékletnél alacsonyabb hőmérsékleten is előfordulhat. Jegyzet 2 Szilárd állapotban a test néha a kristályosodás több formáját öltheti, a nyomástól és a hőmérsékleti tartománytól függően. A kristályosodás minden formája tehát egy másik fázist alkot, amely lehetővé teszi egy fázisdiagram rajzolását.

Ábra (P, V, T)

Egy tiszta anyag állapotváltozásának (gáz-folyadék-szilárd) esetén az eredményeket néha háromdimenziós diagram formájában mutatjuk be, a tengelyek a P nyomás, a rendszer által elfoglalt V térfogat és a hőmérséklet T.

Ez a háromdimenziós diagram a termodinamikában használt három típusú diagramból épül fel  : állapotváltozási diagramok, Clapeyron izoterm diagramok és izobár diagramok.

Az alábbi ábra egy termodinamikai diagramot mutat be, amely a diagram "vágása" vagy "vetülete" (P, V, T). A nyíl jelzi a vetítés irányát.

Bináris és hármas diagram

Ha két tiszta anyagból álló rendszerünk van, a rendszer többféle lehet:

• teljesen szilárd, mindegyik test külön-külön kristályosodik;
• teljesen szilárd, a két test tökéletesen összekeveredik szilárd oldat vagy meghatározott vegyület formájában, az úgynevezett eutektikus , eutektoid , peritektikus vagy peritektoidoid, attól függően, hogy hogyan bomlik hevítés közben;
• szilárd-folyékony keverék;
• teljesen folyékony, két nem elegyedő folyadék (emulzió) vagy egyetlen tökéletesen homogén folyadék (egyetlen fázis, oldat ) formájában;
• folyadék-gáz keverék (aeroszol vagy folyadék felett lévő gáz);
• gáz (egy gáz mindig homogén kis magasságváltozások esetén).

A fenti állapotok vagy egyetlen fázisból (pl. Elegyedő folyadékok vagy gázok) vagy több heterogén fázisból állnak . A rendszer állapota ábrázolható a nyomás, a hőmérséklet és az összetétel függvényében is.

A n tiszta anyagokat, van n koncentrációban, de csak n + 1 független paraméterek nyomás és hőmérséklet; valójában a koncentrációk összege egyenlő 100% -kal, és az egyik koncentráció levezethető a többiből, és ezért nem képez önálló paramétert.

Ezért szükségünk lenne egy n + 1-dimenziós diagramra, amely ábrázolja ezeket az n + 1 független paramétereket (3 dimenzió két tiszta testhez, 4 dimenzió három tiszta testhez). Az ábrázolás egyszerűsítése érdekében elegendő számú paramétert állítanak be a kétdimenziós diagram elkészítéséhez; a következő diagramokat gyakran figyelembe veszik:

• egy adott összetétel esetén a nyomás-hőmérséklet fázisdiagram (P, T), hasonlóan ahhoz, mint a tiszta test diagram;
• egy adott nyomás és két tiszta anyag esetében a bináris összetétel-hőmérséklet diagram ( c , T);

• Adott nyomás és hőmérséklet és három tiszta anyag esetén a háromdiagram ( c 1 , c 2 ), vagyis a fázis a kompozíció függvényében; megszokásból, és bár van c 3  = 1- c 1 - c 2 , ezt az ábrát egyenlő oldalú háromszögbe rajzoljuk ( c 1 , c 2 , c 3 )

Egyetlen szilárd oldat diagram

Bizonyos esetekben, mint például az ezüst - arany ötvözetek , nincs meghatározott vegyületek. Ezekben az esetekben a bináris diagram az alábbiakban látható:

Nekünk van

• T az A tiszta anyag olvadáspontján;
• T B a B tiszta anyag olvadáspontja.

Meghatározzuk:

• a likvidus  : e görbe felett a termék teljesen folyékony; a folyadék meghatározza annak a folyadéknak az összetételét, amely adott hőmérsékleten egyensúlyban van a szilárd anyaggal.
• a solidus  : e görbe alatt az összes termék szilárd; a solidus meghatározza egy adott hőmérsékleten folyadékkal egyensúlyban lévő szilárd anyag összetételét.

A liquidus és a solidus között szilárd-folyékony keverék van. Ez a diagram lehetővé teszi a szilárdulás megjóslásának megjóslását .

Meghatározott vegyületek

A meghatározott vegyületek olyan vegyületek, amelyek fázisváltozása állandó hőmérsékleten megy végbe. A bináris diagram függőleges jelenléte egy meghatározott vegyület jelenlétét jelzi.

Az MgZn 2 példaként említhető . A réz (Cu) és az ón (Sn) szintén meghatározott vegyületeket képez.

Megkülönböztetünk:

• az eutektikus  : alsó eutektikus állandó hőmérséklet, tiszta anyagként viselkedik;
• az eutektoid  : az eutectoid állandó hőmérsékleten szilárd-szilárd fázisban átalakul; az egyetlen különbség az eutektikával szemben az, hogy a határhőmérséklet feletti fázis nem folyékony;
• a peritektikum  : van állandó átalakulási szilárd A → szilárd B + folyadék állandó hőmérsékleten;
• a péritectoïdes  : van egy transzformációs szilárd A → szilárd B + szilárd C állandó hőmérséklet.

Egy meghatározott vegyületről kongruens fúzióval beszélünk, amikor ennek a meghatározott vegyületnek akár részleges fúziója is azonos összetételű folyadékhoz vezet (a fenti ábrán nincs példa).

Hogyan hozhat létre fázisdiagramot?

A fázisdiagram kísérletileg készül: a körülmények változatosak és a fázisváltozásokat megfigyelik.

A fázisváltozások többféle módon figyelhetők meg:

• egyesek hőt termelnek (pl. kondenzáció vagy exoterm kémiai reakció ), vagy elnyelik a hőt (pl. fúziós vagy endoterm kémiai reakciók ), így a hőáramok mérésével tudni lehet, hogy fázisváltozás zajlik-e; ez a termodifferenciális elemzés (DTA);
• egyesek térfogatváltozást, összehúzódást (például egy szilárd anyag atomjának kondenzációját vagy átrendeződését idézik elő egy kompaktabb konfigurációban) vagy tágulást (például egy szilárd anyag atomjainak elpárologtatását vagy átrendeződését kevésbé kompakt kialakításban) akkor elegendő megmérni a térfogat változását, például egy mozgatható dugattyúval, az erőt egy tömeg súlya vagy egy hidraulikus rendszer gyakorolja;
• fordítva, nyomásváltozásokat nyomásmérővel lehet megfigyelni , ha a térfogatot mozgatható dugattyúval, végtelen csavarral működtetjük  ;
• szabad szemmel figyelje meg a rendszer állapotát (pl. olvadó kristályok);
• a különböző szilárd fázisok esetében a különböző kristályos fázisokat röntgendiffrakcióval lehet felismerni  ; az elemzést elvégezhetjük a forró mintán, vagy a mintát leállíthatjuk , vagyis gyors lehűtésnek vethetjük alá, hogy meleg állapotában is hideg állapotban megőrizze egyensúlyi szerkezetét (ezért nincs egyensúlyban).

Az állapotváltozási hőmérséklet meghatározására használt megszilárdulási görbe egyszerűsített termodifferenciális elemzésből származik; abból áll, hogy egy folyadékot lehűlnek, és megmérik a hőmérsékletét. A hőveszteség mértéke arányos a rendszer és a külső hőmérséklet-különbséggel, ezért exponenciális görbével rendelkezünk. Ha fennsíkot észlelnek, ez azt jelenti, hogy a minta hőt bocsát ki, ami jellemző a megszilárdulásra. A szilárd anyag fázisváltozása (kristályszerkezet-változása) során ugyanúgy megfigyelhető egy fennsík.

Megjegyzések és hivatkozások

Megjegyzések

1. A fizika , hívjuk fázis tiszta anyag vagy egy homogén keveréket a tiszta anyagok, amely egy adott állapotban (gáz, folyadék, amorf szilárd anyag formájában, szilárd anyag kristályosodott ilyen és ilyen formában).
2. Magas hőmérsékleten egy tiszta anyag plazma formájában jelenik meg, amelyet anyag állapotának tekintenek.
3. hőmérséklet a kritikus hőmérséklet fölött vagy a nyomás a kritikus nyomás felett.
4. A kritikus hőmérsékleténél magasabb hőmérsékletű gáz szuperkritikusnak minősül  ; csak tömörítéssel lehetetlen cseppfolyósítani.

Hivatkozások

1. A. Oganov et al. Nature, doi: 10; 1038 / nature07736 ( http://www.nature.com/nature/journal/v457/n7231/full/457800a.html Lásd)

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

• Halmazállapot
• Termodinamika
• Háromfázisú diagram
• TTT diagram
• TRC diagram
• CALPHAD , fázisdiagram számítási módszer