Faz diyagramı

Bir faz diyagramı veya faz diyagramı , termodinamikte kullanılan , genellikle iki veya üç boyutta , bir sistemin ( saf madde veya saf maddelerin karışımı ) fiziksel durumunun (veya fazının ) alanlarını temsil eden bir fonksiyon olarak grafiksel bir temsildir. Çalışılan fenomenlerin anlaşılmasını kolaylaştırmak için seçilen değişkenlerin

En basit diyagramlar , değişkenler olarak sıcaklık ve basınç ile saf bir madde ile ilgilidir  ; Sıklıkla kullanılan diğer değişkenler entalpi , entropi , kütle hacmi ve ayrıca bir karışımı oluşturan saf maddelerden birinin kütle veya hacim konsantrasyonudur .

İncelenen sistem n tane saf cisim karışımı olduğunda, fiziksel durumu, bileşenlerinin (n-1) bağımsız oranları ve ayrıca sıcaklık ve basınç ile tanımlanır. Bu nedenle, iki değişkenli bir diyagram bu nedenle yalnızca (n-1) sistem değişkenlerini sabitleyerek oluşturulabilir .

Normal atmosfer basıncı altında ( aşırı soğutma ) °C'nin altındaki bir sıcaklıkta sıvı su gibi yarı kararlı durumdaki bir sistemi tanımlamayı mümkün kılmayan bir denge ile ilgili bir diyagramdır . 2009 yılının başında, “ gama bor  ” (kısmen iyonik, ancak daha sert olan boron) adı verilen yeni bir bor formunun başarılı sentezini takiben hızla mevcut olması gereken bor hariç, hafif basit elementlerin tüm faz diyagramları oluşturuldu. ve daha yoğun bor)

Saf bir vücut diyagramı

Saf madde, basınç ve sıcaklık koşullarına bağlı olarak katı, sıvı ve gaz fazlarından birinde veya birkaçında bulunur. Genel olarak, bir saf madde belirli bir basınç ve sıcaklık için tek bir fazda bulunur, ancak aşağıdakiler hariçtir:

Temsil edilen tüm fazlar farklı fiziksel durumlara karşılık geldiğinde, bazen bir durum değişimi diyagramından bahsederiz.

Genel bir kural olarak, P = f ( T ) durumunun değişim eğrileri artmaktadır. Kayda değer bir istisna, erime - katılaşma eğrisinin azaldığı sudur (bu, buzun sıvı su üzerinde yüzdüğü anlamına gelir ).

Bu eğrinin eğimi Clapeyron formülü ile verilir  :

ile:

diyagram örnekleri

Özel su durumu

Su faz diyagramı. Notlar 1 Atmosferle temas halinde bulunan saf bir cisim, tek bir saf cisimden oluşan bir sistem değildir, çünkü havadaki gazların hesaba katılması gerekir. Bu, örneğin, suyun genellikle sıvı halde ve buhar halinde ortam sıcaklığında, kaynama noktasından çok uzakta ( normal atmosfer basıncında 100  °C ) bir arada var olduğunu açıklar . Gerçekten de, su buharının kısmi basıncı, atmosfer basıncından çok daha düşüktür. Düzeninin doymuş buhar basıncı olarak adlandırılan su buharı basıncı, 0.006  atm de ° C , yavaş yavaş kadar artar 100  ° C ulaşana 1  atm . Bu aşamada, havanın atmosferik basıncı artık örtü rolünü oynamaz ve su molekülleri aniden ortamdan kaçar: kaynama olgusu budur . Hava basıncı bir vakum pompası ile düşürülürse, suyun kaynaması ortam sıcaklığından daha düşük bir sıcaklıkta bile meydana gelebilir. Not 2 Katı halde, bir cisim, basınç ve sıcaklık aralığına bağlı olarak bazen çeşitli kristalleşme biçimleri alabilir. Böylece her kristalleşme biçimi farklı bir faz oluşturur ve bu da bir faz diyagramı çizmeyi mümkün kılar.

Diyagram (P, V, T)

Saf bir maddenin hal değişimi (gaz-sıvı-katı) durumunda, sonuçlar bazen üç boyutlu bir diyagram şeklinde sunulur, eksenler basınç P, sistem tarafından işgal edilen hacim V ve sıcaklıktır. T.

Bu üç boyutlu diyagram, termodinamikte kullanılan üç tip diyagramdan oluşturulmuştur  : durum değişim diyagramları, Clapeyron izotermal diyagramları ve izobar diyagramları.

Aşağıdaki şekil, diyagramın (P, V, T) "kesilmesi" veya "izdüşümü" olarak bir termodinamik diyagramı göstermektedir. Ok, projeksiyon yönünü gösterir.

İkili ve üçlü diyagram

İki saf maddeden oluşan bir sistemimiz olduğunda, sistem birkaç biçimde olabilir:

Yukarıdaki durumlar ya tek bir fazdan (örneğin karışabilir sıvılar veya gazlar) veya birkaç heterojen fazdan oluşur . Bir sistemin durumu ayrıca basınç, sıcaklık ve bileşimin bir fonksiyonu olarak çizilebilir.

İle N saf madde, var n konsantrasyonları, ancak n, basınç ve sıcaklık ile + 1 bağımsız parametreler; aslında, konsantrasyonların toplamı %100'e eşittir ve konsantrasyonlardan biri diğerlerinden çıkarılabilir ve bu nedenle bağımsız bir parametre oluşturmaz.

Bu nedenle , bu n + 1 bağımsız parametreyi (iki saf cisim için 3 boyut, üç saf cisim için 4 boyut) temsil etmek için n + 1 boyutlu bir diyagrama ihtiyacımız olacaktır . Gösterimi basitleştirmek için, iki boyutlu bir diyagram çizmek için yeterli sayıda parametre ayarlanır; aşağıdaki diyagramlar genellikle dikkate alınır:

Tek katı çözüm diyagramı

Gümüş - altın alaşımları gibi bazı durumlarda tanımlanmış bir bileşik yoktur. Bu durumlarda, ikili diyagram aşağıda gösterildiği gibidir:

Sahibiz

tanımlarız:

Liquidus ile solidus arasında katı-sıvı karışımı vardır. Bu diyagram katılaşmanın nasıl gerçekleşeceğini tahmin etmeyi mümkün kılar .

Tanımlanmış bileşikler

Tanımlanan bileşikler, faz değişimi sabit sıcaklıkta gerçekleşen bileşiklerdir. İkili diyagramda bir dikeyin varlığı, tanımlanmış bir bileşiğin varlığını gösterir.

Örnek olarak MgZn 2'den bahsedilebilir . Bakır (Cu) ve kalay (Sn) da tanımlanmış bileşikler oluşturur.

Ayırt ediyoruz:

Bu tanımlanan bileşiğin füzyonu, kısmi bile olsa , aynı bileşime sahip bir sıvıya yol açtığında, uyumlu füzyonlu tanımlanmış bir bileşikten söz ederiz (yukarıdaki şekilde hiçbir örnek yoktur).

Bir faz diyagramını nasıl kurarsınız?

Faz diyagramı deneysel olarak belirlenir: koşullar değişir ve faz değişiklikleri gözlemlenir.

Faz değişiklikleri birkaç şekilde gözlemlenebilir:

Durum değişikliği sıcaklığını belirlemek için kullanılan katılaşma eğrisi, basitleştirilmiş termodiferansiyel analizden alınmıştır; bir sıvının soğumasını sağlamak ve sıcaklığını ölçmekten ibarettir. Isı kaybı oranı, sistem ile dışarısı arasındaki sıcaklık farkıyla orantılıdır, dolayısıyla üstel bir eğrimiz olur. Bir plato gözlemlendiğinde, numunenin katılaşmanın özelliği olan ısıyı serbest bıraktığı anlamına gelir. Katıdaki bir faz değişimi (kristal yapısının değişimi) sırasında aynı şekilde bir plato gözlemlenebilir.

Notlar ve referanslar

Notlar

  1. olarak fizik dediğimiz faz saf madde ya da belirli bir halde olan saf maddelerin homojen bir karışımını (sıvı, gaz, şekilsiz, örneğin kristalize katı madde, katı ve böyle bir formu) geçirilir.
  2. Yüksek sıcaklıklarda, maddenin hali olarak kabul edilen bir plazma şeklinde saf bir madde ortaya çıkar .
  3. Kritik sıcaklığın üzerindeki sıcaklık veya kritik basıncın üzerindeki basınç.
  4. Sıcaklığı kritik sıcaklığından daha yüksek olan bir gaz süperkritik olarak nitelendirilir  ; tek başına sıkıştırarak sıvılaştırmak imkansızdır.

Referanslar

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

Şuna da bakın:

İlgili Makaleler