Фазалық диаграммалар: заттың күйлері мен тепе-теңдік жағдайлары
Phase diagram
Фазалық диаграммалар: қатты, сұйық, газ тәрізді күйлердің температура, қысымға қатысты жағдайларын көрсетеді. Тепе-теңдік сызықтары, фазалық өтулер туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
Chart used to show conditions at which physical phases of a substance occur
A phase diagram in physical chemistry, engineering, mineralogy, and materials science is a type of chart used to show conditions (pressure, temperature, volume, etc.) at which thermodynamically distinct phases (such as solid, liquid or gaseous states) occur and coexist at equilibrium.
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.
Common components of a phase diagram are lines of equilibrium or phase boundaries, which refer to lines that mark conditions under which multiple phases can coexist at equilibrium. Phase transitions occur along lines of equilibrium. Metastable phases are not shown in phase diagrams as, despite their common occurrence, they are not equilibrium phases. Triple points are points on phase diagrams where lines of equilibrium intersect. Triple points mark conditions at which three different phases can coexist. For example, the water phase diagram has a triple point corresponding to the single temperature and pressure at which solid, liquid, and gaseous water can coexist in a stable equilibrium (273.16 and a partial vapor pressure of 611.657). The pressure on a pressure temperature diagram (such as the water phase diagram shown) is the partial pressure of the substance in question. The solidus is the temperature below which the substance is stable in the solid state. The liquidus is the temperature above which the substance is stable in a liquid state. There may be a gap between the solidus and liquidus; within the gap, the substance consists of a mixture of crystals and liquid (like a "slurry"). Working fluids are often categorized on the basis of the shape of their phase diagram.
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.
In addition to temperature and pressure, other thermodynamic properties may be graphed in phase diagrams. Examples of such thermodynamic properties include specific volume, specific enthalpy, or specific entropy. For example, single component graphs of temperature vs. specific entropy (T vs. s) for water/steam or for a refrigerant are commonly used to illustrate thermodynamic cycles such as a Carnot cycle, Rankine cycle, or vapor compression refrigeration cycle. Any two thermodynamic quantities may be shown on the horizontal and vertical axes of a two dimensional diagram. Additional thermodynamic quantities may each be illustrated in increments as a series of lines—curved, straight, or a combination of curved and straight. Each of these iso lines represents the thermodynamic quantity at a certain constant value.
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.
It is possible to envision three dimensional (3D) graphs showing three thermodynamic quantities. For example, for a single component, a 3D Cartesian coordinate type graph can show temperature (T) on one axis, pressure (p) on a second axis, and specific volume (v) on a third. Such a 3D graph is sometimes called a p–v–T diagram. The equilibrium conditions are shown as curves on a curved surface in 3D with areas for solid, liquid, and vapor phases and areas where solid and liquid, solid and vapor, or liquid and vapor coexist in equilibrium. A line on the surface called a triple line is where solid, liquid and vapor can all coexist in equilibrium. The critical point remains a point on the surface even on a 3D phase diagram. An orthographic projection of the 3D p–v–T graph showing pressure and temperature as the vertical and horizontal axes collapses the 3D plot into the standard 2D pressure–temperature diagram. When this is done, the solid–vapor, solid–liquid, and liquid–vapor surfaces collapse into three corresponding curved lines meeting at the triple point, which is the collapsed orthographic projection of the triple line.
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.
Other much more complex types of phase diagrams can be constructed, particularly when more than one pure component is present. In that case, concentration becomes an important variable. Phase diagrams with more than two dimensions can be constructed that show the effect of more than two variables on the phase of a substance. Phase diagrams can use other variables in addition to or in place of temperature, pressure and composition, for example the strength of an applied electrical or magnetic field, and they can also involve substances that take on more than just three states of matter. One type of phase diagram plots temperature against the relative concentrations of two substances in a binary mixture called a binary phase diagram, as shown at right. Such a mixture can be either a solid solution, eutectic or peritectic, among others. These two types of mixtures result in very different graphs. Another type of binary phase diagram is a boiling point diagram for a mixture of two components, i. e. chemical compounds. For two particular volatile components at a certain pressure such as atmospheric pressure, a boiling point diagram shows what vapor (gas) compositions are in equilibrium with given liquid compositions depending on temperature. In a typical binary boiling point diagram, temperature is plotted on a vertical axis and mixture composition on a horizontal axis. A two component diagram with components A and B in an "ideal" solution is shown. The construction of a liquid vapor phase diagram assumes an ideal liquid solution obeying Raoult's law and an ideal gas mixture obeying Dalton's law of partial pressure. A tie line from the liquid to the gas at constant pressure would indicate the two compositions of the liquid and gas respectively. A simple example diagram with hypothetical components 1 and 2 in a non azeotropic mixture is shown at right. The fact that there are two separate curved lines joining the boiling points of the pure components means that the vapor composition is usually not the same as the liquid composition the vapor is in equilibrium with. See Vapor–liquid equilibrium for more information. In addition to the above mentioned types of phase diagrams, there are many other possible combinations. Some of the major features of phase diagrams include congruent points, where a solid phase transforms directly into a liquid. There is also the peritectoid, a point where two solid phases combine into one solid phase during cooling. The inverse of this, when one solid phase transforms into two solid phases during cooling, is called the eutectoid. A complex phase diagram of great technological importance is that of the iron–carbon system for less than 7% carbon (see steel). The x axis of such a diagram represents the concentration variable of the mixture. As the mixtures are typically far from dilute and their density as a function of temperature is usually unknown, the preferred concentration measure is mole fraction. A volume based measure like molarity would be inadvisable.
Кристалдар
Полиморфты және полиаморфты заттардың бірнеше кристалдық немесе аморфты фазалары болады, оларды қатты, сұйық және газ фазалары сияқты график түрінде көрсетуге болады.
Polymorphic and polyamorphic substances have multiple crystal or amorphous phases, which can be graphed in a similar fashion to solid, liquid, and gas phases.
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.
Some organic materials pass through intermediate states between solid and liquid; these states are called mesophases. Attention has been directed to mesophases because they enable display devices and have become commercially important through the so called liquid crystal technology. Phase diagrams are used to describe the occurrence of mesophases.