Кіріспе

Заттың физикалық фазаларының пайда болу жағдайларын көрсетуге арналған диаграмма. Физикалық химия, инженерия, минералогия және материалтану ғылымдарында фазалық диаграмма – термодинамикалық тұрғыдан ерекшеленетін фазалардың (мысалы, қатты, сұйық немесе газ күйі) пайда болатын және тепе-теңдікте қатар өмір сүретін жағдайларды (қысым, температура, көлем және т.б.) көрсететін диаграмманың бір түрі.

Шолу

Фазалық диаграмманың негізгі компоненттері – тепе-теңдік сызықтары немесе фазалық шекаралар, олар бірнеше фазаның тепе-теңдікте қатар өмір сүре алатын жағдайларды көрсетеді. Фазалық өтулер тепе-теңдік сызықтары бойымен жүзеге асады. Метатұрақты фазалар фазалық диаграммаларда көрсетілмейді, себебі олардың жиі кездесуіне қарамастан, тепе-теңдік фазалары емес. Үштік нүктелер – фазалық диаграммалардағы тепе-теңдік сызықтарының қиылысатын жерлері. Үштік нүктелер үш түрлі фазаның бірдей жағдайда қатар өмір сүруіне жағдай жасайды. Мысалы, судың фазалық диаграммасында қатты, сұйық және газ тәрізді судың тұрақты тепе-теңдікте қатар өмір сүре алатын белгілі бір температура мен қысымға сәйкес келетін үштік нүкте бар (273,16 және 611,657 ішінара бу қысымы). Қысым-температура диаграммасындағы (мысалы, су фазалық диаграммасындағы) қысым – зерттеліп отырған заттың ішінара қысымы. Solidus – заттың қатты күйде тұрақты болатын температура. Liquidus – заттың сұйық күйде тұрақты болатын температура. Solidus пен liquidus арасында айырма болуы мүмкін; осы айырманың ішінде зат кристалдар мен сұйықтықтың қоспасынан тұрады ("суспензия" сияқты). Жұмыс сұйықтықтары көбінесе олардың фазалық диаграммасының түріне қарай жіктеледі.

Басқа термодинамикалық қасиеттер

Температура мен қысымнан басқа, фазалық диаграммаларда басқа термодинамикалық қасиеттер де график түрінде бейнеленуі мүмкін. Мұндай термодинамикалық қасиеттердің мысалдары ретінде нақты көлем, нақты энтальпия немесе нақты энтропияны атауға болады. Мысалы, су/бу немесе тоңазытқыш үшін температураға қарсы нақты энтропияның (T-ге қарсы s) бір компонентті графиктері Карно циклы, Ранкин циклы немесе буды сығыстыру салқындату циклы сияқты термодинамикалық циклдарды көрсету үшін жиі қолданылады. Кез келген екі термодинамикалық шама екі өлшемді диаграмманың көлденең және тік осьтерінде көрсетілуі мүмкін. Қосымша термодинамикалық шамалардың әрқайсысы қисық, түзу немесе қисық пен түзудің араласуы түріндегі бірнеше сызықтар арқылы көрсетілуі мүмкін. Осы изосызықтардың әрқайсысы белгілі бір тұрақты мәндегі термодинамикалық шаманы көрсетеді.

Үш өлшемді диаграммалар

Үш термодинамикалық шаманы көрсететін үш өлшемді (3D) графиктерді елестетуге болады. Мысалы, бір компонент үшін 3D картезиялық координаттар түріндегі график бір осьте температураны (T), екінші осьте қысымды (p), ал үшінші осьте нақты көлемді (v) көрсетуі мүмкін. Мұндай 3D графикті кейде p–v–T диаграммасы деп атайды. Тепе-теңдік жағдайлары 3D кеңістікте қисық беттегі қисықтар түрінде көрсетіледі, онда қатты, сұйық және газ фазаларының аймақтары, сондай-ақ қатты және сұйық, қатты және газ немесе сұйық және газ фазалары тепе-теңдікте бірге болатын аймақтар белгіленеді. Үштік сызық деп аталатын сызық – бұл қатты, сұйық және газ фазаларының тепе-теңдікте бірге өмір сүре алатын нүкте. Критикалық нүкте тіпті 3D фазалық диаграммада да беттегі нүкте болып қалады. Қысым мен температураны вертикаль және горизонталь осьтер ретінде көрсететін 3D p–v–T графигінің орфографиялық проекциясы 3D суретті стандартты 2D қысым-температура диаграммасына келтіреді. Бұл орындалғанда, қатты-газ, қатты-сұйық және сұйық-газ беттері үш нүктеде түйісетін үш қисық сызыққа айналады, бұл үш сызықтың орфографиялық проекциясы болып табылады.

Бинарлы қоспалар

Басқа да күрделі фазалық диаграммаларды құрастыруға болады, әсіресе бірден көп таза компонент болған кезде. Бұл жағдайда концентрация маңызды айнымалыға айналады. Бір заттың фазасына екіден астам айнымалылардың әсерін көрсететін екі өлшемнен артық фазалық диаграммалар құрастыруға болады. Фазалық диаграммалар температура, қысым және құрамнан басқа немесе олардың орнына басқа да айнымалыларды пайдалана алады, мысалы, қолданылатын электр немесе магнит өрісінің күшін, сондай-ақ олар заттың үш күйінен артық күйге өтетін заттарды қамти алады. Фазалық диаграмманың бір түрі – екілік фазалық диаграмма, ол температураны екі зат араласқышындағы екі заттың салыстырмалы концентрациясына сәйкес көрсетеді (оң жақта көрсетілгендей). Мұндай қоспалар қатты ерітінді, эвтектикалық немесе перитектикалық болуы мүмкін, және тағы да басқалар. Бұл екі типтегі қоспалар өте әртүрлі графиктерге әкеледі. Бинарлық фазалық диаграмманың тағы бір түрі – екі компоненттің, яғни химиялық қосылыстардың қоспасының қайнау нүктесі диаграммасы. Белгілі бір қысымда, мысалы атмосфералық қысымда, екі ұшқыш компонент үшін қайнау нүктесі диаграммасы температураға байланысты берілген сұйық құраммен тепе-теңдікте болатын бу (газ) құрамдарын көрсетеді. Типик екілік қайнау нүктесі диаграммасында температура тік осьте, ал қоспа құрамы көлденең осьте көрсетіледі. "Идеалды" ерітіндідегі А және В компоненттері бар екі компонентті диаграмма көрсетілген. Сұйық-бу фазалық диаграммасын құру Раульт заңына бағынатын идеалды сұйық ерітінді және Дальтонның бөлшектік қысым заңына бағынатын идеалды газ қоспасын қарастырады. Тұрақты қысымдағы сұйық пен газ арасындағы байланыс сызығы сұйық пен газдың тиісті құрамдарын көрсетеді. Оң жақта азеотроптық емес қоспадағы 1 және 2 гипотетикалық компоненттері бар қарапайым мысал диаграммасы көрсетілген. Таза компоненттердің қайнау нүктелерін біріктіретін екі бөлек қисық сызықтардың болуы, будың құрамы көбінесе оның тепе-теңдікте болатын сұйық құрамынан өзгеше екенін білдіреді. Толығырақ ақпарат алу үшін Vapor–liquid equilibrium бетіне қараңыз. Жоғарыда аталған фазалық диаграммалардан басқа, көптеген басқа да комбинациялар бар. Фазалық диаграммалардың негізгі ерекшеліктеріне біркелкі нүктелер жатады, онда қатты фаза тікелей сұйыққа айналады. Сонымен қатар, салқындату кезінде екі қатты фаза бірігіп, бір қатты фазаны құрайтын перитектоид нүктесі бар. Мұның кері процесі, яғни суыту кезінде бір қатты фаза екі қатты фазаға айналатын процеске эвтектоид деп аталады. Технологиялық тұрғыдан маңызды күрделі фазалық диаграмма – 7%-дан төмен көміртегі бар темір-көміртек жүйесі (қараңыз, болат). Мұндай диаграмманың x-осі қоспаның концентрациясын көрсетеді. Қоспалар көбінесе сұйытылған емес және олардың тығыздығы температураның функциясы ретінде әдетте белгісіз болғандықтан, концентрацияны өлшеу үшін моль үлесі қолданылады. Молярлық сияқты көлемге негізделген өлшемдер ұсынылмайды.

Кристалдар

Полиморфты және полиаморфты заттардың бірнеше кристалдық немесе аморфты фазалары болады, оларды қатты, сұйық және газ фазалары сияқты график түрінде көрсетуге болады.

Мезофазалар

Кейбір органикалық материалдар қатты және сұйық күйлердің арасындағы аралық күйлерден өтеді; осы күйлер мезофазалар деп аталады. Мезофазаларға назар аударылуына себеп, олар дисплейлік құрылғыларды жасауға мүмкіндік береді және сұйық кристал технологиясы арқылы коммерциялық маңызға ие болды. Мезофазалардың пайда болуын сипаттау үшін фазалық диаграммалар қолданылады.