Введение
Диаграмма фаз в физической химии, инженерии, минералогии и материаловедении — это тип графика, используемого для отображения условий (давления, температуры, объема и т. д.), при которых термодинамически различные фазы вещества (например, твердое, жидкое или газообразное состояние) возникают и находятся в равновесии.
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.
Обзор
Общими компонентами фазовой диаграммы являются линии равновесия или границы фаз, которые обозначают условия, при которых несколько фаз могут сосуществовать в равновесии. Фазовые переходы происходят вдоль линий равновесия. Метастабильные фазы не отображаются на фазовых диаграммах, поскольку, несмотря на их частое возникновение, они не являются фазами равновесия. Тройные точки – это точки на фазовых диаграммах, где пересекаются линии равновесия. Тройные точки обозначают условия, при которых могут сосуществовать три различные фазы. Например, фазовая диаграмма воды имеет тройную точку, соответствующую единственной температуре и давлению, при которых твердая, жидкая и газообразная вода могут сосуществовать в стабильном равновесии (273,16 К и парциальное давление 611,657 Па). Давление на диаграмме «давление – температура» (например, на фазовой диаграмме воды) представляет собой парциальное давление рассматриваемого вещества. Солидус – это температура, ниже которой вещество стабильно в твердом состоянии. Ликвидус – это температура, выше которой вещество стабильно в жидком состоянии. Между солидусом и ликвидусом может существовать область, в которой вещество представляет собой смесь кристаллов и жидкости (например, суспензия). Рабочие среды часто классифицируются на основе формы их фазовой диаграммы.
Другие термодинамические свойства
В дополнение к температуре и давлению, другие термодинамические свойства могут быть представлены на графиках в фазовых диаграммах. Примеры таких термодинамических свойств включают удельный объем, удельную энтальпию или удельную энтропию. Например, графики зависимости температуры от удельной энтропии (T от s) для воды/пара или хладагента обычно используются для иллюстрации термодинамических циклов, таких как цикл Карно, цикл Ранкина или цикл парокомпрессионного охлаждения. Любые две термодинамические величины могут быть отображены на горизонтальной и вертикальной осях двухмерной диаграммы. Дополнительные термодинамические величины могут быть показаны в виде серии линий – изогнутых, прямых или комбинации изогнутых и прямых. Каждая из этих изотерм представляет собой термодинамическую величину при определенном постоянном значении.
Трехмерные диаграммы
Можно представить себе трехмерные (3D) графики, отображающие три термодинамические величины. Например, для однокомпонентной системы трехмерный график в декартовой системе координат может показывать температуру (T) по одной оси, давление (p) – по второй, а удельный объем (v) – по третьей. Такой 3D-график иногда называют p–v–T-диаграммой. Условия равновесия отображаются в виде кривых на искривленной поверхности в 3D, с областями, соответствующими твердой, жидкой и парообразной фазам, а также областями, где твердая и жидкая фазы, твердая и парообразная фазы, или жидкая и парообразная фазы сосуществуют в равновесии. Линия на поверхности, называемая тройной линией, – это место, где твердая, жидкая и парообразная фазы могут сосуществовать в равновесии. Критическая точка остается точкой на поверхности даже на трехмерной фазовой диаграмме. Орфографическая проекция 3D-графика p–v–T, показывающая давление и температуру по вертикальной и горизонтальной осям, сворачивает трехмерный график в стандартную двухмерную диаграмму «давление – температура». При этом поверхности раздела твердой и парообразной фаз, твердой и жидкой фаз, а также жидкой и парообразной фаз схлопываются в три соответствующие кривые, пересекающиеся в тройной точке, которая является орфографической проекцией тройной линии.
Бинарные смеси
Можно построить другие, гораздо более сложные типы фазовых диаграмм, особенно когда присутствует более одного чистого компонента. В этом случае концентрация становится важной переменной. Можно составить фазовые диаграммы с более чем двумя измерениями, показывающие влияние более чем двух переменных на фазу вещества. Фазовые диаграммы могут использовать другие переменные в дополнение к температуре, давлению и составу, например, величину приложенного электрического или магнитного поля, и они также могут включать вещества, которые принимают более чем три состояния вещества. Один тип фазовой диаграммы отображает температуру в зависимости от относительных концентраций двух веществ в бинарной смеси, называемой бинарной фазовой диаграммой, как показано справа. Такая смесь может быть твердым раствором, эвтектикой или перитектикой, среди прочих. Эти два типа смесей приводят к существенно различным графикам. Другой тип бинарной фазовой диаграммы – это диаграмма точек кипения для смеси двух компонентов, то есть химических соединений. Для двух конкретных летучих компонентов при определенном давлении, например атмосферном, диаграмма точек кипения показывает, какие составы паров (газов) находятся в равновесии с заданными составами жидкостей в зависимости от температуры. На типичной бинарной диаграмме точек кипения температура откладывается по вертикальной оси, а состав смеси – по горизонтальной. На рисунке показана диаграмма для двух компонентов, А и В, в "идеальном" растворе. Построение диаграммы фаз жидкость-пар предполагает идеальный жидкий раствор, подчиняющийся закону Рауля, и идеальную газовую смесь, подчиняющуюся закону парциальных давлений Дальтона. Связующая линия от жидкости к пару при постоянном давлении указывает на составы жидкости и газа соответственно. Справа представлена простая диаграмма с гипотетическими компонентами 1 и 2 в неазеотропной смеси. Тот факт, что существуют две отдельные изогнутые линии, соединяющие точки кипения чистых компонентов, означает, что состав пара обычно не совпадает с составом жидкости, с которой он находится в равновесии. Подробная информация представлена в разделе "Парожидкостное равновесие". Помимо вышеупомянутых типов фазовых диаграмм, существует множество других возможных комбинаций. Некоторые из основных особенностей фазовых диаграмм включают конгруэнтные точки, где твердая фаза непосредственно переходит в жидкую. Существует также перитектоид – точка, где две твердые фазы объединяются в одну твердую фазу при охлаждении. Обратным является эвтектоид – превращение одной твердой фазы в две твердые фазы при охлаждении. Сложной и технологически важной является фазовая диаграмма системы железо-углерод при содержании менее 7% углерода (см. сталь). Ось X на такой диаграмме представляет переменную концентрации смеси. Поскольку смеси обычно далеки от разбавленных, а их плотность как функция температуры обычно неизвестна, предпочтительной мерой концентрации является мольная доля. Использование меры, основанной на объеме, такой как молярность, не рекомендуется.
Кристаллы
Полиморфные и полиаморфные вещества обладают множеством кристаллических или аморфных фаз, которые можно представить графически подобно фазам твердого, жидкого и газообразного состояний.
Мезофазы
Некоторые органические материалы проходят через промежуточные состояния между твердым и жидким; эти состояния называются мезофазами. Мезофазы привлекли внимание, поскольку они позволяют создавать дисплеи и приобрели коммерческую значимость благодаря так называемой технологии жидких кристаллов. Фазовые диаграммы используются для описания существования мезофаз.