Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Біркелкі физикалық қасиеттер аймағы
Region of uniform physical properties
Физика ғылымдарында фаза – химиялық тұрғыдан біртекті, физикалық тұрғыдан ерекше және (көбінесе) механикалық түрде бөлінетін материалдың аймағы. Шыны ыдыстағы мұз бен судан тұратын жүйеде мұз кесектері бір фаза, су – екінші фаза, ал мұз бен су үстіндегі ылғалды ауа – үшінші фаза болып табылады. Ыдыстың шынысы – тағы бір жеке фаза. (Қараңыз.) Нақтырақ айтқанда, фаза – кеңістіктің (термодинамикалық жүйенің) бір аймағы, онда материалдың барлық физикалық қасиеттері негізінен біртекті болады. Физикалық қасиеттердің мысалдарына тығыздық, жарық сыну көрсеткіші, магниттелу және химиялық құрам жатады. Фаза термині кейде заттың күйімен синоним ретінде қолданылады, бірақ бір заттың күйінің бірнеше араласпайтын фазалары болуы мүмкін (мысалы, май мен су сұйық күйде екі бөлек фазаға ажыратылады). Ол кейде фазалық диаграммада көрсетілген, қысым және температура сияқты күй айнымалыларымен сипатталған және фазалық шекаралармен белгіленген тепе-теңдік күйлерін көрсету үшін де қолданылады. (Фазалық шекаралар заттың құрылымындағы өзгерістерге, мысалы, қатты күйдегі бір кристаллдық құрылымнан екіншісіне аздаған өзгерістерге, сондай-ақ қатты және сұйық арасындағы күй өзгерістеріне қатысты.) Бұл екі қолданыс жоғарыда келтірілген ресми анықтамамен толық сәйкес келмейді және термин қолданылған контекстен мақсатталған мағынаны анықтау қажет.
In the physical sciences, a phase is a region of material that is chemically uniform, physically distinct, and (often) mechanically separable. In a system consisting of ice and water in a glass jar, the ice cubes are one phase, the water is a second phase, and the humid air is a third phase over the ice and water. The glass of the jar is another separate phase. (See .) More precisely, a phase is a region of space (a thermodynamic system), throughout which all physical properties of a material are essentially uniform. Examples of physical properties include density, index of refraction, magnetization and chemical composition. The term phase is sometimes used as a synonym for state of matter, but there can be several immiscible phases of the same state of matter (as where oil and water separate into distinct phases, both in the liquid state). It is also sometimes used to refer to the equilibrium states shown on a phase diagram, described in terms of state variables such as pressure and temperature and demarcated by phase boundaries. (Phase boundaries relate to changes in the organization of matter, including for example a subtle change within the solid state from one crystal structure to another, as well as state changes such as between solid and liquid.) These two usages are not commensurate with the formal definition given above and the intended meaning must be determined in part from the context in which the term is used.
Фазалардың түрлері
Түрлі фазалар заттың әртүрлі күйлері ретінде сипатталуы мүмкін, мысалы, газ, сұйық, қатты, плазма немесе Бозе-Эйнштейн конденсаты. Қатты және сұйық күйлер арасындағы пайдалы мезофазалар материяның басқа күйлерін қалыптастырады. Заттың белгілі бір күйінде де ерекше фазалар болуы мүмкін. Темір қорытпаларының диаграммасында көрсетілгендей, қатты және сұйық күйде бірнеше фаза бар. Фазалар сондай-ақ полярлық (гидрофильді) немесе полярлық емес (гидрофобтық) сияқты ерігіштігіне қарай да ажыратылуы мүмкін. Су (полярлы сұйықтық) және май (полярлық емес сұйықтық) қоспасы өздігінен екі фазаға бөлінеді. Су майда өте аз мөлшерде ериді (ерімейді), ал май суда аз мөлшерде ериді. Ерігіштік – еріген зат еріуін тоқтатып, жеке фазада қалып қалмас бұрын, еріткіште еритін еріген заттың максималды мөлшері. Қоспа екінен астам сұйық фазаға бөлінуі мүмкін, ал фазалық бөліну ұғымы қатты заттарға да қатысты, яғни қатты заттар қатты ерітінділер түзеуі немесе ерекше кристалдық фазаларға кристалдануы мүмкін. Бір-бірімен толық араласатын металл жұптары қорытпалар құрастыра алады, ал бір-бірімен араласпайтын металл жұптары құрастыра алмайды. Көбінесе сегіз араласпайтын сұйық фазалар байқалған. Өзара араласпайтын сұйық фазалар судан (сулы фаза), гидрофобты органикалық еріткіштерден, перфторкарбондардан (фторлы фаза), силикондардан, бірнеше түрлі металдардан және балқыған фосфордан түзіледі. Барлық органикалық еріткіштер толығымен араласпайды, мысалы, этиленгликоль мен толуол қоспасы екі ерекше органикалық фазаға бөлінуі мүмкін. Фазалардың макроскопиялық деңгейде өздігінен бөлінуі міндетті емес. Эмульсиялар мен коллоидтар – физикалық бөлінбейтін араласпайтын фазалық жұптардың мысалдары.
Distinct phases may be described as different states of matter such as gas, liquid, solid, plasma or Bose–Einstein condensate. Useful mesophases between solid and liquid form other states of matter. Distinct phases may also exist within a given state of matter. As shown in the diagram for iron alloys, several phases exist for both the solid and liquid states. Phases may also be differentiated based on solubility as in polar (hydrophilic) or non polar (hydrophobic). A mixture of water (a polar liquid) and oil (a non polar liquid) will spontaneously separate into two phases. Water has a very low solubility (is insoluble) in oil, and oil has a low solubility in water. Solubility is the maximum amount of a solute that can dissolve in a solvent before the solute ceases to dissolve and remains in a separate phase. A mixture can separate into more than two liquid phases and the concept of phase separation extends to solids, i. e., solids can form solid solutions or crystallize into distinct crystal phases. Metal pairs that are mutually soluble can form alloys, whereas metal pairs that are mutually insoluble cannot. As many as eight immiscible liquid phases have been observed. Mutually immiscible liquid phases are formed from water (aqueous phase), hydrophobic organic solvents, perfluorocarbons (fluorous phase), silicones, several different metals, and also from molten phosphorus. Not all organic solvents are completely miscible, e. g. a mixture of ethylene glycol and toluene may separate into two distinct organic phases. Phases do not need to macroscopically separate spontaneously. Emulsions and colloids are examples of immiscible phase pair combinations that do not physically separate.
Фазалық тепе-теңдік
Теңгерімделу кезінде көптеген құралымдар біртекті бір фазаны құрайды, бірақ температура мен қысымға байланысты тіпті бір зат та екі немесе одан көп бөлек фазаларға ажырауы мүмкін. Әрбір фаза ішінде қасиеттері біртекті, ал екі фаза арасында қасиеттері әртүрлі болады. Ауасы бар жабық банкадағы су екі фазалы жүйе құрайды. Судың көп бөлігі сұйық фазада болады, онда су молекулаларының өзара тартылысымен ұсталады. Тіпті тепе-теңдік күйінде де молекулалар үнемі қозғалыста болады, және кейде сұйық фазадағы молекула сұйық фазадан бөлініп, газ фазасына өту үшін жеткілікті кинетикалық энергияға ие болады. Сол сияқты, уақыт-уақытпен бу молекуласы сұйық бетіне соқтығысып, сұйыққа конденсацияланады. Тепе-теңдік күйінде булану және конденсация процестері дәл теңгерілгендіктен, екі фазаның көлемінде де ешқандай өзгеріс болмайды. Бөлме температурасы мен қысымында су банкасы тепе-теңдікке жетеді, егер су үстіндегі ауаның ылғалдылығы шамамен 3% болса. Бұл көрсеткіш температураның жоғарылауымен артады. 100 °C температурада және атмосфералық қысымда ауа 100% суға толып қалғанша тепе-теңдікке қол жеткізілмейді. Егер сұйықтық 100 °C-тан сәл жоғары қыздырылса, сұйықтан газға өту тек бетінде ғана емес, сұйықтың барлық көлемінде жүреді: су қайнайды.
Left to equilibration, many compositions will form a uniform single phase, but depending on the temperature and pressure even a single substance may separate into two or more distinct phases. Within each phase, the properties are uniform but between the two phases properties differ. Water in a closed jar with an air space over it forms a two phase system. Most of the water is in the liquid phase, where it is held by the mutual attraction of water molecules. Even at equilibrium molecules are constantly in motion and, once in a while, a molecule in the liquid phase gains enough kinetic energy to break away from the liquid phase and enter the gas phase. Likewise, every once in a while a vapor molecule collides with the liquid surface and condenses into the liquid. At equilibrium, evaporation and condensation processes exactly balance and there is no net change in the volume of either phase. At room temperature and pressure, the water jar reaches equilibrium when the air over the water has a humidity of about 3%. This percentage increases as the temperature goes up. At 100 °C and atmospheric pressure, equilibrium is not reached until the air is 100% water. If the liquid is heated a little over 100 °C, the transition from liquid to gas will occur not only at the surface but throughout the liquid volume: the water boils.
Фазалардың саны
Берілген құрамы үшін, белгілі бір температура мен қысымда тек белгілі бір фазалар ғана мүмкін. Қалыптасатын фазалардың саны мен түрін болжау қиын, және олар әдетте тәжірибе арқылы анықталады. Мұндай тәжірибелердің нәтижелерін фазалық диаграммаларда көрсетуге болады. Мұнда көрсетілген фазалық диаграмма бір компонентті жүйеге арналған. Бұл қарапайым жүйеде, фазалар тек температура мен қысымға байланысты. Белгілер екі немесе одан көп фазалардың тепе-теңдікте бірге бола алатын нүктелерін көрсетеді. Белгіленбеген температура мен қысымда тепе-теңдікте тек бір фаза болады. Диаграммада сұйық пен газ арасындағы шекараны көрсететін көк сызық шексіз жалғаспайды, бірақ сындық нүкте деп аталатын нүктеде тоқталады. Температура мен қысым сындық нүктеге жақындағанда, сұйық пен газдың қасиеттері біртіндеп ұқсас бола бастайды. Сындық нүктеде сұйық пен газты ажырату мүмкін емес. Сындық нүктеден жоғары, жеке сұйық және газ фазалары болмайды: тек суперкритикалық сұйық деп аталатын жалпы сұйық фазасы болады. Суда, сындық нүкте шамамен 647 К (374 °C немесе 705 °F) және 22.064 МПа-да орналасқан. Судың фазалық диаграммасының ерекшелігі – қатты-сұйық фаза сызығының (жасыл сызықпен көрсетілген) теріс еңіс болуы. Көптеген заттар үшін еңіс оң, бұл қара-жасыл сызықпен көрсетілген. Судың бұл ерекшелігі мұздың сұйық судан тығыздығы төмен болуымен байланысты. Қысымды арттыру суды жоғары тығыздық фазасына итереді, бұл балқуға әкеледі. Фазалық диаграмманың тағы бір қызықты, бірақ ерекше емес ерекшелігі – қатты-сұйық фаза сызығы сұйық-газ фаза сызығымен қиылысатын нүкте. Бұл қиылыс нүктесі үштік нүкте деп аталады. Үштік нүктеде үш фаза да бірге тепе-теңдікте болуы мүмкін. Фазалық сызықтарды тәжірибелік түрде картаға түсіру салыстырмалы түрде оңай, себебі бірнеше фазалар пайда болған кезде температура мен қысымның өзара тәуелділігі пайда болады. Гиббстің фазалық ережесі әр түрлі фазалардың осы айнымалылармен толық анықталатынын көрсетеді. Сынау аппаратын жабық және жақсы оқшауланған цилиндрден және поршеньнен тұратын құрылғыны қарастырайық. Температура мен қысымды басқару арқылы жүйені фазалық диаграмманың кез келген нүктесіне жеткізуге болады. Қатты фазаның тұрақты аймағындағы нүктеден (диаграмманың сол жағында) жүйенің температурасын арттыру оны сұйық немесе газ фазасының тепе-теңдік аймағына (қысымға байланысты) жеткізеді. Егер поршеньді баяу төмендетсек, жүйе фазалық диаграмманың газ аймағында температура мен қысымның артуымен бірге қисық сызық бойымен жүреді. Газ сұйыққа конденсациялана бастағанда, температура мен қысым қисығының бағыты күрт өзгереді және барлық су конденсацияланғанға дейін фазалық сызық бойымен жүреді.
For a given composition, only certain phases are possible at a given temperature and pressure. The number and type of phases that will form is hard to predict and is usually determined by experiment. The results of such experiments can be plotted in phase diagrams. The phase diagram shown here is for a single component system. In this simple system, phases that are possible, depend only on pressure and temperature. The markings show points where two or more phases can co exist in equilibrium. At temperatures and pressures away from the markings, there will be only one phase at equilibrium. In the diagram, the blue line marking the boundary between liquid and gas does not continue indefinitely, but terminates at a point called the critical point. As the temperature and pressure approach the critical point, the properties of the liquid and gas become progressively more similar. At the critical point, the liquid and gas become indistinguishable. Above the critical point, there are no longer separate liquid and gas phases: there is only a generic fluid phase referred to as a supercritical fluid. In water, the critical point occurs at around 647 K (374 °C or 705 °F) and 22.064 MPa. An unusual feature of the water phase diagram is that the solid–liquid phase line (illustrated by the dotted green line) has a negative slope. For most substances, the slope is positive as exemplified by the dark green line. This unusual feature of water is related to ice having a lower density than liquid water. Increasing the pressure drives the water into the higher density phase, which causes melting. Another interesting though not unusual feature of the phase diagram is the point where the solid–liquid phase line meets the liquid–gas phase line. The intersection is referred to as the triple point. At the triple point, all three phases can coexist. Experimentally, phase lines are relatively easy to map due to the interdependence of temperature and pressure that develops when multiple phases form. Gibbs' phase rule suggests that different phases are completely determined by these variables. Consider a test apparatus consisting of a closed and well insulated cylinder equipped with a piston. By controlling the temperature and the pressure, the system can be brought to any point on the phase diagram. From a point in the solid stability region (left side of the diagram), increasing the temperature of the system would bring it into the region where a liquid or a gas is the equilibrium phase (depending on the pressure). If the piston is slowly lowered, the system will trace a curve of increasing temperature and pressure within the gas region of the phase diagram. At the point where gas begins to condense to liquid, the direction of the temperature and pressure curve will abruptly change to trace along the phase line until all of the water has condensed.
Жақсылық құбылыстары
Теңгерімдегі екі фазаның арасында қасиеттері ешқайсысының қасиеттеріне ұқсамайтын тар аймақ болады. Бұл аймақ өте жұқа болғанымен, маңызды және оңай байқалатын әсерлерге ие болуы мүмкін, мысалы, сұйықтың беттік кернеуін тудыруы мүмкін. Араластың ішіндегі кейбір компоненттер интерфейсқа қарай жиналуы мүмкін. Нақты бір жүйенің мінез-құлқын модельдеу, сипаттау немесе түсіну үшін, интерфейстік аймақты жеке фаза ретінде қарастыру пайдалы болуы мүмкін.
Between two phases in equilibrium there is a narrow region where the properties are not that of either phase. Although this region may be very thin, it can have significant and easily observable effects, such as causing a liquid to exhibit surface tension. In mixtures, some components may preferentially move toward the interface. In terms of modeling, describing, or understanding the behavior of a particular system, it may be efficacious to treat the interfacial region as a separate phase.
Кристалл фазалары
Бір материалда жеке фазалар құрауға қабілетті бірнеше ерекше қатты күйлер болуы мүмкін. Су мұндай материалдың кең танымал мысалы. Мысалы, су мұзы әдетте гексагонды түрде, яғни Ih мұзы түрінде кездеседі, бірақ кубтық Ic мұзы, ромбоэдрлі II мұзы және тағы да көптеген түрлерде де болуы мүмкін. Полиморфизм – қатты дененің бірден көп кристаллдық түрінде болу қабілеті. Таза химиялық элементтер үшін полиморфизм аллотропия деп аталады. Мысалы, алмаз, графит және фуллерендер – көміртегінің әртүрлі аллотроптары.
A single material may have several distinct solid states capable of forming separate phases. Water is a well known example of such a material. For example, water ice is ordinarily found in the hexagonal form ice Ih, but can also exist as the cubic ice Ic, the rhombohedral ice II, and many other forms. Polymorphism is the ability of a solid to exist in more than one crystal form. For pure chemical elements, polymorphism is known as allotropy. For example, diamond, graphite, and fullerenes are different allotropes of carbon.
Фазалық ауысулар
Зат фазалық ауысудан (материяның бір күйінен екіншісіне өтуден) өткенде, әдетте энергия жұтады немесе бөліп шығарады. Мысалы, су буланғанда, буға айналатын молекулалар сұйықтың тартымды күштерінен босағанда кинетикалық энергияның артуы температураның төмендеуімен байқалады. Фазалық ауысуды іске қосуға қажетті энергия судың ішкі жылу энергиясынан алынады, бұл сұйықтықты төмен температураға дейін салқындатады; сондықтан буландыру салқындату үшін тиімді. Булану энтальпиясын қараңыз. Кері процесі, конденсация, жылуды бөліп шығарады. Қатты күйден сұйық күйге өтумен байланысты жылу энергиясы немесе энтальпия – қорыту энтальпиясы, ал қатты күйден газ күйге өтумен байланысты энтальпия – сублимация энтальпиясы.
When a substance undergoes a phase transition (changes from one state of matter to another) it usually either takes up or releases energy. For example, when water evaporates, the increase in kinetic energy as the evaporating molecules escape the attractive forces of the liquid is reflected in a decrease in temperature. The energy required to induce the phase transition is taken from the internal thermal energy of the water, which cools the liquid to a lower temperature; hence evaporation is useful for cooling. See Enthalpy of vaporization. The reverse process, condensation, releases heat. The heat energy, or enthalpy, associated with a solid to liquid transition is the enthalpy of fusion and that associated with a solid to gas transition is the enthalpy of sublimation.
Теңгерімнен тыс фазалар
Материяның фазалары дәстүрлі түрде жылулық тепе-теңдіктегі жүйелер үшін анықталғанмен, кванттық көп денелік локалдану (КДЛ) жүйелеріндегі жұмыстар тепе-теңдіктен тыс фазаларды анықтауға арналған негізді ұсынды. КДЛ фазалары ешқашан жылулық тепе-теңдікке жетпейді және локалдану арқылы қорғалған кванттық тәртіп деп аталатын құбылыс арқылы тепе-теңдікте мүмкін емес жаңа тәртіп формаларын қалыптастыруға мүмкіндік береді. Әртүрлі КДЛ фазалары арасындағы және КДЛ мен жылулық тепе-теңдікке көшетін фазалар арасындағы өтулер – жаңа динамикалық фазалық өтулер болып табылады, олардың қасиеттері қазіргі таңда белсенді зерттеулер жүргізіліп жатқан сала.
While phases of matter are traditionally defined for systems in thermal equilibrium, work on quantum many body localized (MBL) systems has provided a framework for defining phases out of equilibrium. MBL phases never reach thermal equilibrium, and can allow for new forms of order disallowed in equilibrium via a phenomenon known as localization protected quantum order. The transitions between different MBL phases and between MBL and thermalizing phases are novel dynamical phase transitions whose properties are active areas of research.