Chemija · Pamoka
Faziniai virsmai, fazių diagramos ir kritinė elgsena
Skaityti fazių diagramą kaip pusiausvyros sąlygų visumą. Atskirti fazių sritis, fazių sambūvio ribas, trigubąjį tašką ir skysčio–garų sambūvio ribos pabaigą.
Grįžti į chemijos planąBaigę pamoką, galėsite
- Atpažinti fazių sritis ir fazių sambūvio kreives kokybinėje P–T diagramoje.
- Paaiškinti slaptąją šilumą pusiausvyrinio fazinio virsmo metu.
- Atskirti elgseną ties trigubuoju ir kritiniu taškais, nelaikant schemos skaitiniais medžiagos savybių duomenimis.
Fazinis virsmas keičia dalelių išsidėstymą
Lydantis kietoji medžiaga virsta skysčiu, o stingstant vyksta atvirkštinis virsmas. Garuojant skystis virsta dujomis, o kondensuojantis vyksta atvirkštinis virsmas. Sublimuojantis kietoji medžiaga tiesiogiai virsta dujomis, o desublimuojantis dujos tiesiogiai virsta kietąja medžiaga. Kuris virsmo kelias galimas, priklauso tiek nuo slėgio, tiek nuo temperatūros.
Grynosios medžiagos pusiausvyrinio fazinio virsmo metu, esant pastoviam slėgiui, perduodama energija gali keisti fazių kiekius, o temperatūra išlieka apytiksliai lygi fazių sambūvio temperatūrai. Ši slaptoji šiluma skiriasi nuo šilumos, kuri didina temperatūrą medžiagai išliekant vienoje fazėje. Mišiniai, kintantis slėgis ir nepusiausvyrinės sąlygos gali lemti kitokią elgseną.
Slėgio–temperatūros diagrama rodo stabilias fazes
Horizontaliojoje ašyje didėja temperatūra, o vertikaliojoje – slėgis. Sritis nurodo, kuri fazė tomis sąlygomis yra pusiausvyrinė. Fazių sambūvio kreivė skiria gretimas sritis: kreivėje abi fazės gali egzistuoti kartu ir būti pusiausvyroje. Kertant šią kreivę pasirinktu slėgio ar temperatūros kitimo keliu, gali pasikeisti stabili fazė.
Čia pateikta diagrama yra kokybinė ir vaizduoja įprasto vandens elgseną supaprastintame sąlygų intervale. Jos brėžinio koordinatės neturi skaitinės temperatūros skalės kelvinais ar slėgio skalės. Joje nepavaizduotos aukštesnio slėgio ledo fazės. Kai reikia skaitinės temperatūros ar slėgio vertės, naudokite matavimais pagrįstą arba patvirtintą medžiagos savybių diagramą.
Atokiau nuo sambūvio kreivių užrašai supaprastintoje diagramoje žymi vieną stabilią fazę. Ant kreivės dvi įvardytos fazės gali būti pusiausvyroje ir egzistuoti kartu. Trys kreivės susikerta trigubajame taške. Skirtumas tarp skysčio ir garų išnyksta kritiniame taške. Užtamsintos superkritinės srities kriterijus reikalauja, kad būtų tenkinamos abi sąlygos: T > Tc ir p > pc.
Neigiamas lydymosi kreivės nuolydis būdingas įprastam ledui Ih nurodytame intervale; tai nėra taisyklė, galiojanti visoms vandens ledo fazėms. Padėtys ir nuolydžiai pavaizduoti perdėtai, kad būtų aiškiau, o iš šios diagramos negalima nustatyti skaitinės lydymosi ar virimo temperatūros vertės.
| Elementas | Reikšmė |
|---|---|
| Trigubasis taškas | Kietoji, skystoji ir dujinė fazės gali egzistuoti kartu esant pusiausvyrai. |
| Kritinis taškas | Skysčio ir garų sambūvio galinis taškas. |
| Įprasto ledo lydymosi kreivė | Šioje pavaizduotoje kreivės šakoje didesnį slėgį atitinka žemesnė lydymosi temperatūra. |
| Superkritinės būsenos kriterijus | Ir temperatūra, ir slėgis viršija savo kritines vertes; taškinės pagalbinės linijos yra atskaitos žymos. |
Originali scheminė gryno vandens pusiausvyros slėgio ir temperatūros diagrama. Kietosios, skystosios ir dujinės fazių sritys ribojasi ties trimis fazių sambūvio kreivėmis, kurios susikerta trigubajame taške. Skysčio ir dujų sambūvio kreivė baigiasi kritiniame taške. Įprasto ledo lydymosi kreivė didėjant slėgiui krypsta žemesnės temperatūros link. Kiekybinės ašių skalės ir aukšto slėgio ledo fazės nepavaizduotos.
Dviejų ypatingųjų taškų reikšmės skiriasi
Trigubajame taške susijungia trys fazių pusiausvyros kreivės: kietoji, skystoji ir garų fazės gali būti pusiausvyroje vienu metu. Šiuo metu tiksliausias įprasto vandens trigubojo taško temperatūros įvertis yra 273.16 K, o rekomenduojamas slėgis – maždaug 611.657 Pa. Ši temperatūra nebėra tiksli SI apibrėžiamoji vertė.
Kritinis taškas yra skysčio ir garų pusiausvyros kreivės galinis taškas. Už jo skystosios ir garų fazių ribos nebėra. Įprasto vandens sutartos atskaitos vertės yra T꜀ = 647.096 K ir p꜀ = 22.064 MPa. Superkritinio fluido būsenai paprastai būtina, kad būtų tenkinamos abi sąlygos: T > T꜀ ir p > p꜀; vien temperatūros viršijimo nepakanka.
Fazinių virsmų eiga gali skirtis
Įprasto ledo tankis yra mažesnis už skysto vandens tankį. Įprasto ledo ir skysčio pusiausvyros srityje didinant slėgį palankesnė tampa tankesnė skystoji fazė, todėl lydymosi kreivės nuolydis P–T diagramoje yra neigiamas. Ši savybė būdinga pažįstamai ledo fazei tam tikroje srityje, o ne visoms ledo fazėms esant bet kokiam slėgiui.
Esant įprastam atmosferos slėgiui, anglies dioksidas neturi stabilios skystosios fazės: tokiomis sąlygomis šildomas kietasis anglies dioksidas sublimuoja. Gerai žinoma jo temperatūra, artima −78 °C, yra sublimacijos temperatūra esant šiam slėgiui, o ne lydymosi temperatūra esant atmosferos slėgiui. Prieš aiškindami bet kurią fazinio virsmo skaitinę vertę, įvardykite medžiagą ir slėgį.
Išnagrinėti pavyzdžiai
Proceso aiškinimas esant nurodytam slėgiui
Kietasis anglies dioksidas šildomas esant įprastam atmosferos slėgiui. Ar jo virsmą ties maždaug −78 °C reikėtų vadinti lydymusi?
- Įvardykite medžiagą – anglies dioksidą – ir aiškiai nurodykite, kad slėgis yra atmosferos.
- Esant šiam slėgiui, skystasis CO₂ nėra stabili tarpinė fazė.
- Kietoji medžiaga tiesiogiai virsta dujomis.
Ne. Nurodytomis slėgio sąlygomis tai yra sublimacija, o ne lydymasis į skystį.
Pabandykite patys
Kiek gretimų fazių gali koegzistuoti grynosios medžiagos fazių pusiausvyros kreivėje?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Dvi.
Trigubasis taškas yra ypatingas susikirtimo taškas, kuriame gali koegzistuoti trys fazės.
Ar vykstant bet kuriam pusiausvirajam faziniam virsmui esant pastoviam slėgiui temperatūra būtinai turi kilti viso virsmo metu?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Grynosios medžiagos atveju energija gali keisti fazių kiekius, kai fazių pusiausvyros temperatūra išlieka apytikriai pastovi.
Ar vien sąlygos T > T꜀ pakanka įprastam superkritinio fluido kriterijui tenkinti?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Nurodytomis sąlygomis taip pat būtina, kad p > p꜀.
Kodėl įprasto vandens ledo–skysčio lydymosi kreivės nuolydis supaprastintai nagrinėjamame intervale yra neigiamas?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Skystis yra tankesnis už įprastą ledą.
Didesnis slėgis palankus tankesniam skysčiui; ši išlyga neapima kitų aukšto slėgio ledo fazių.
Ką verta įsidėmėti
- Fazių diagramos aprašo pusiausvyrą esant nurodytam slėgiui ir temperatūrai.
- Fazių sambūvio kreivės ir orientacinės linijos turi skirtingą reikšmę.
- Trigubasis ir kritinis taškai yra skirtingi.
- Slaptoji šiluma gali pakeisti fazių kiekius nedidindama temperatūros.
Šaltiniai
Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.