Termodynamisk fase

Termodynamisk fase  er en homogen del af et heterogent system , begrænset af grænsefladen [1] [2] . Mindre strengt, men mere tydeligt, er en fase en homogen del af systemet, adskilt fra resten af ​​delene af en synlig [3] grænseflade [4] , hvorpå fasens [5] karakteristika ændres brat , f.eks. , tæthed , sammensætning, optiske egenskaber. I dette tilfælde betragtes et sæt individuelle homogene dele af systemet med de samme egenskaber som én fase (for eksempel et sæt krystaller af et stof eller et sæt væskedråber suspenderet i en gas og danner tåge ) [6] . Hver fase af systemet er karakteriseret ved sin egen tilstandsligning [4] .

Når man passerer gennem grænsefladen, ændres mindst én termodynamisk egenskab ved stoffet brat [1] [7] . Ofte (men ikke altid) er grænsefladen synlig for det blotte øje.

Et homogent system indeholder kun én fase; et heterogent system består af to eller flere faser [8] . Is - vand - fugtig luft- systemet er et heterogent trefaset system. I et en-komponent system kan forskellige faser repræsenteres af forskellige aggregattilstande eller forskellige polymorfe modifikationer af et fast stof (rhombisk og monoklint svovl , gråt og hvidt tin , etc.) [1] . Antallet af faser i et heterogent system overholder Gibbs fasereglen .

I et multikomponentsystem kan faser have forskellige sammensætninger og strukturer. Under alle omstændigheder, hvis der er en faseadskillelse, er det i princippet underforstået, at et stof kan passere fra en fase til en anden. Et flerfasesystem er i termodynamisk ligevægt, hvis alle dets faser er i mekanisk , termisk og faseligevægt med hinanden.

Grundlæggende begreber

En gas består næsten altid af én fase [K 1] , en væske kan bestå af flere væskefaser med forskellig sammensætning ( segregation , væskeublandbarhed ), men to forskellige væsker af samme sammensætning kan ikke eksistere side om side i ligevægt ( flydende helium er en undtagelse) . Et stof i fast tilstand kan bestå af flere faser, hvoraf nogle kan have samme sammensætning, men en anden struktur ( polymorfe modifikationer, allotropi ).

Forskellige faser har forskellige molekylære pakningsmuligheder (for krystallinske faser, forskellige krystalgitter) og som følge heraf deres egne karakteristiske værdier for kompressibilitetskoefficienten, termisk udvidelseskoefficient og andre egenskaber. Derudover kan forskellige faser have forskellige elektriske (ferroelektriske), magnetiske (ferromagneter) og optiske egenskaber (for eksempel fast oxygen).

Termodynamiske faser i fasediagrammet

På fasediagrammet for et stof optager forskellige termodynamiske faser visse områder. Linjerne, der adskiller forskellige termodynamiske faser, kaldes faseovergangslinjer . Hvis et stof er under forhold, der svarer til et punkt inde i et område, så er det helt i denne termodynamiske fase. Hvis et stofs tilstand svarer til et punkt på en af ​​faseovergangslinjerne, så kan stoffet i termodynamisk ligevægt være dels i en og dels i en anden fase. Andelen af ​​to faser bestemmes som regel af den samlede energi, som systemet lagrer.

Ved en langsom ændring i tryk eller temperatur beskrives stoffet ved et bevægeligt punkt på fasediagrammet. Hvis dette punkt i dets bevægelse krydser en af ​​linjerne, der adskiller de termodynamiske faser, sker der en faseovergang , hvor stoffets fysiske egenskaber ændrer sig brat.

Ikke alle faser er fuldstændig adskilt fra hinanden af ​​en faseovergangslinje. I nogle tilfælde kan denne linje bryde og slutte med et kritisk punkt . I dette tilfælde er en gradvis snarere end brat overgang fra en fase til en anden mulig, uden om linjen af ​​faseovergange.

Punktet på fasediagrammet, hvor de tre faseovergangslinjer konvergerer, kaldes det tredobbelte punkt . Normalt forstås et stofs tredobbelte punkt som et særligt tilfælde, når linjerne for smeltning, kogning og sublimering konvergerer, dog kan der være flere tredobbelte punkter på tilstrækkeligt rige fasediagrammer. Et stof i et tredobbelt punkt i en tilstand af termodynamisk ligevægt kan delvist være i alle tre faser. På multidimensionelle fasediagrammer (det vil sige, hvis andre intensive mængder er til stede udover temperatur og tryk), kan der eksistere firdobbelte og andre punkter.

Termodynamiske faser og aggregerede tilstande af stof

Sættet af termodynamiske faser af et stof er normalt meget rigere end sættet af aggregattilstande , det vil sige, at den samme aggregattilstand af et stof kan være i forskellige termodynamiske faser. Derfor er beskrivelsen af ​​stof i form af aggregerede tilstande ret grov, og den kan ikke skelne mellem nogle forskellige fysiske situationer.

Et rigt sæt termodynamiske faser er som regel forbundet med forskellige rækkefølgemuligheder , der er tilladt i en bestemt aggregeringstilstand.

• I den gasformige tilstand har stof ingen orden. Følgelig har ethvert stof i gasform kun én termodynamisk fase. (Faseovergange såsom molekylær dissociation eller ionisering er per definition overgange fra et stof til et andet).
• En væske har en orienteringsorden, men har generelt ikke en translationel orden . Som et resultat kan den samme væske have forskellige termodynamiske faser, men deres antal overstiger sjældent én. Så for eksempel blev eksistensen af ​​en ny flydende fase opdaget i underafkølet vand . Et andet eksempel er den superflydende tilstand i flydende helium .
• Et krystallinsk fast stof har både translationel og orienterende orden. Som et resultat opstår der et stort antal mulige varianter af orienteringen af ​​nabomolekyler i forhold til hinanden, som kan vise sig at være energetisk gunstige ved bestemte tryk og temperaturer. Som et resultat har faste legemer som regel et ret komplekst fasediagram. For eksempel har fasediagrammet for et så tilsyneladende simpelt stof som is mindst 12 termodynamiske faser, der realiseres ved forskellige temperaturer og tryk.

Fasevalg

Faseadskillelse  - transformationen af ​​et homogent system til et to- eller flerfaset - er meget udbredt inden for videnskab og teknologi.

Krystallisation gør det muligt at opnå rene stoffer.

Ved høje tryk kan et sådant fænomen som stratificering i gas-gassystemet observeres. Muligheden for eksistensen af ​​en heterogen ligevægt i en gasblanding over den kritiske temperatur blev påpeget af van der Waals , og derefter blev dette fænomen analyseret af Kamerling-Onnes og Keesom . Eksperimentelt bevis på tilstedeværelsen af ​​et sådant fænomen blev først opnået ved at bruge eksemplet med ammoniak  - nitrogen -systemet i 1941. Indledningsvis blev det antaget, at begrænset gensidig opløselighed kun blev observeret i gasblandinger indeholdende en polær komponent ( ammoniak , hydrogensulfid ). Imidlertid blev adskillelsen af ​​helium  - carbondioxid , helium -ethylen og helium -propan- blandinger efterfølgende etableret . I helium-ethylen-systemet blev eksistensen af ​​en faseadskillelsesoverflade med begrænset gensidig opløselighed af gasser bekræftet ved visuelle observationer og fotografering af menisken mellem de to gasfaser.

Når en blanding af gasser adskilles, observeres nogle gange det såkaldte barotropiske fænomen  - en ændring i steder af to sameksisterende faser med stigende tryk. For eksempel, i det binære system NH 3 (l.) - N 2 (g.), har den fase, der er rigere på ammoniak, en højere densitet. Men når blandingen adskilles (90 °C, 1800 ved (~1,84 kbar)), har den fase, der er rigere på ammoniak, allerede en lavere densitet og stiger [10] .

Se også

• Faseregel
• hypotermi
• Overophedning
• Phase-change Dual  er en optisk diskoptagelsesteknologi baseret på en dobbelt ændring i et stofs fasetilstand.

Kommentarer

1. ↑ Ved lave tryk blandes gasser med hinanden i ethvert forhold. Ved høje tryk og temperaturer over den kritiske kan den gensidige opløselighed af gasser begrænses, og ligevægtssameksistens af to gasfaser er mulig; sådanne systemer betragtes som stratificerende gasformige opløsninger [9] .

Noter

1. ↑ 1 2 3 Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , s. 22.
2. ↑ Termodynamik. Basale koncepter. Terminologi. Bogstavbetegnelser for mængder, 1984 , s. 7.
3. ↑ Grænsefladen er ikke altid synlig med det blotte øje, men systemets heterogenitet kan for eksempel detekteres ved mediets optiske inhomogenitet - udseendet af en Tyndall-kegle, når en lysstråle passerer gennem et kolloidt system (se Viter V.N. Tyndall-kegle (en opløsning af kolofonium i ethanol blev tilsat til vand) ).
4. ↑ 1 2 Gerasimov Ya. I. et al., Course of Physical Chemistry, bind 1, 1970 , s. 27.
5. ↑ Ovchinkin V. A. Phase transitions and equilibria, 2018 , s. fire.
6. ↑ Gerasimov Ya. I. et al., Course of Physical Chemistry, bind 1, 1970 , s. 26-27.
7. ↑ Termodynamik. Basale koncepter. Terminologi. Bogstavbetegnelser for mængder, 1984 , s. 6.
8. ↑ A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , s. femten.
9. ↑ Anisimov M.A. , Gazy, 1988 , s. 474.
10. ↑ Gonikberg M. G. Kemisk ligevægt og reaktionshastighed ved høje tryk.// M .: Ed. USSR Academy of Sciences, 1960, s. 19 - 24

Litteratur

• Anisimov M.A. Gases  // Chemical encyclopedia . - Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: Abl - Dar . - S. 474-475 . (Russisk)
• Bazarov I.P. Termodynamik. - 5. udg. - SPb.-M.-Krasnodar: Lan, 2010. - 384 s. - (Lærebøger for universiteter. Speciallitteratur). - ISBN 978-5-8114-1003-3 .
• Gerasimov Ya. I., Dreving V. P., Eremin E. N. et al. Kursus i fysisk kemi / red. udg. Ja. I. Gerasimova. - 2. udg. - M . : Kemi, 1970. - T. I. - 592 s.
• Munster A. Kemisk termodynamik / Pr. med ham. under. udg. tilsvarende medlem USSRs Videnskabsakademi Ya. I. Gerasimova. — M .: Mir, 1971. — 296 s.
• Ovchinkin VA Faseovergange og ligevægt. - M. : Fizmatkniga, 2018. - 48 s. - ISBN 978-5-89155-282-1 .
• Sivukhin DV Almen kursus i fysik. - T. II. Termodynamik og molekylær fysik. - 5. udg., Rev. - M . : FIZMATLIT, 2005. - 544 s. - ISBN 5-9221-0601-5 .
• Termodynamik. Basale koncepter. Terminologi. Bogstavbetegnelser på mængder / hhv. udg. I. I. Novikov . - Videnskabsakademiet i USSR. Udvalget for Videnskabelig og Teknisk Terminologi. Samling af definitioner. Problem. 103. - M. : Nauka, 1984. - 40 s.

Links

• Franske fysikere har opdaget et system, der reversibelt hærder med stigende temperatur  - α- cyclodextrin , vand og 4-methylpyridin