Termodinamikai fázis

A termodinamikai fázis  egy heterogén rendszer homogén része , amelyet az interfész korlátoz [1] [2] . Kevésbé szigorúan, de egyértelműbben a fázis a rendszer homogén része, amelyet a többi résztől egy látható [3] interfész választ el [4] , amelyen a fázis [5] bármely jellemzője hirtelen megváltozik , pl. , sűrűség , összetétel, optikai tulajdonságok. Ebben az esetben a rendszer azonos tulajdonságokkal rendelkező, egyedi homogén részeinek halmazát tekintjük egy fázisnak (például egy anyag kristályainak halmaza vagy gázban szuszpendált és ködképző folyadékcseppek halmaza ) [6] . A rendszer minden fázisát saját állapotegyenlete jellemzi [4] .

A határfelületen való áthaladáskor az anyag legalább egy termodinamikai tulajdonsága hirtelen megváltozik [1] [7] . A felület gyakran (de nem mindig) szabad szemmel látható.

Egy homogén rendszer csak egy fázist tartalmaz; egy heterogén rendszer két vagy több fázisból áll [8] . A jég - víz - nedves levegő rendszer egy heterogén háromfázisú rendszer. Egy egykomponensű rendszerben a különböző fázisokat a szilárd anyag különböző halmazállapotai vagy különböző polimorf módosulatai (rombos és monoklin kén , szürke és fehér ón stb.) ábrázolhatják [1] . Egy heterogén rendszerben a fázisok száma megfelel a Gibbs-féle fázisszabálynak .

Egy többkomponensű rendszerben a fázisok eltérő összetételűek és szerkezetűek lehetnek. Mindenesetre, ha van fázisszétválasztás, az elvileg magában foglalja, hogy egy anyag átjuthat egyik fázisból a másikba. Egy többfázisú rendszer akkor van termodinamikai egyensúlyban, ha minden fázisa mechanikai , termikus és fázisegyensúlyban van egymással.

Alapfogalmak

Egy gáz szinte mindig egy fázisból áll [K 1] , egy folyadék több különböző összetételű folyadékfázisból is állhat ( elkülönülés , folyadékkal nem elegyedő ) , de két azonos összetételű folyadék nem tud együtt létezni egyensúlyban ( a folyékony hélium kivétel ) . Egy szilárd halmazállapotú anyag több fázisból állhat, amelyek közül néhány azonos összetételű, de eltérő szerkezetű ( polimorf módosulások, allotrópia ).

A különböző fázisoknak különböző molekuláris tömítési lehetőségei vannak (kristályos fázisokhoz, különböző kristályrácsokhoz), és ebből következően saját jellemző értékeik az összenyomhatósági együtthatónak, a hőtágulási együtthatónak és egyéb jellemzőknek. Ezenkívül a különböző fázisok eltérő elektromos (ferroelektromos), mágneses (ferromágnesek) és optikai tulajdonságokkal (például szilárd oxigénnel) rendelkezhetnek.

Termodinamikai fázisok a fázisdiagramban

Egy anyag fázisdiagramján különböző termodinamikai fázisok foglalnak el bizonyos területeket. A különböző termodinamikai fázisokat elválasztó vonalakat fázisátmeneti vonalaknak nevezzük . Ha egy anyag valamely régión belüli pontnak megfelelő körülmények között van, akkor teljesen ebben a termodinamikai fázisban van. Ha egy anyag állapota megfelel a fázisátalakulási egyenesek valamelyikének, akkor a termodinamikai egyensúlyban lévő anyag részben az egyik, részben egy másik fázisban lehet. A két fázis arányát általában a rendszer által tárolt teljes energia határozza meg.

Lassú nyomás- vagy hőmérsékletváltozás esetén az anyagot egy mozgó pont írja le a fázisdiagramon. Ha mozgásának ez a pontja keresztezi a termodinamikai fázisokat elválasztó vonalak egyikét, akkor fázisátalakulás következik be , amelyben az anyag fizikai tulajdonságai hirtelen megváltoznak.

Nem minden fázis van teljesen elválasztva egymástól fázisátmeneti vonallal. Egyes esetekben ez a vonal megszakadhat, és egy kritikus ponttal végződik . Ebben az esetben inkább fokozatos, semmint hirtelen átmenet lehetséges egyik fázisból a másikba, a fázisátmenetek vonalát megkerülve.

A fázisdiagram azon pontját, ahol a három fázisátmeneti vonal konvergál, hármaspontnak nevezzük . Általában egy anyag hármaspontján egy speciális esetet értünk, amikor az olvadás, a forrás és a szublimáció vonalai konvergálnak, azonban a kellően gazdag fázisdiagramokon több hármaspont is lehet. A termodinamikai egyensúlyi állapotban lévő hármas pontban lévő anyag részben mindhárom fázisban lehet. A többdimenziós fázisdiagramokon (vagyis ha a hőmérsékleten és nyomáson kívül más intenzív mennyiségek is jelen vannak) négyszeres és egyéb pontok is létezhetnek.

Termodinamikai fázisok és aggregált halmazállapotok

Egy anyag termodinamikai fázisainak halmaza általában sokkal gazdagabb, mint az aggregált állapotok halmaza , vagyis egy anyag ugyanazon aggregált állapota különböző termodinamikai fázisokban lehet. Éppen ezért az anyag halmazállapotok szerinti leírása meglehetősen nyers, és nem tud különbséget tenni néhány különböző fizikai helyzet között.

A termodinamikai fázisok gazdag halmaza rendszerint különféle sorrendi opciókhoz kapcsolódik , amelyek az aggregáció adott állapotában megengedettek.

Fázis kiválasztása

A fázisszétválasztást  - egy homogén rendszer átalakítása két- vagy többfázisúvá - széles körben alkalmazzák a tudományban és a technológiában.

A kristályosítás lehetővé teszi tiszta anyagok előállítását.

Magas nyomáson olyan jelenség figyelhető meg, mint a rétegződés a gáz-gáz rendszerben. A heterogén egyensúly lehetőségére a kritikus hőmérséklet feletti gázelegyben van der Waals mutatott rá , majd Kamerling-Onnes és Keesom elemezte ezt a jelenséget . Egy ilyen jelenség jelenlétének kísérleti bizonyítékát először az ammónia  - nitrogén rendszer példájával 1941-ben szerezték meg. Kezdetben azt feltételezték, hogy korlátozott kölcsönös oldhatóság csak poláris komponenst ( ammónia , hidrogén-szulfid ) tartalmazó gázelegyekben figyelhető meg . A hélium  - szén-dioxid , hélium- etilén és hélium- propán keverékek szétválasztását azonban ezt követően megállapították . A hélium-etilén rendszerben a két gázfázis közötti meniszkusz vizuális megfigyelései és fényképezése igazolta a fázisszétválasztó felület létezését, amely a gázok kölcsönösen korlátozottan oldódik .

A gázkeverék elválasztásakor néha az úgynevezett barotrop jelenség  figyelhető meg - két együttélő fázis helyének megváltozása növekvő nyomással. Például az NH 3 (l.) - N 2 (g.) kettős rendszerben az ammóniában gazdagabb fázis sűrűsége nagyobb. Azonban amikor a keverék elválik (90 °C, 1800 at (~1,84 kbar)) az ammóniában gazdagabb fázis sűrűsége már kisebb és felemelkedik [10] .

Lásd még

Megjegyzések

  1. ↑ Alacsony nyomáson a gázok bármilyen arányban keverednek egymással. Nagy nyomáson és a kritikus feletti hőmérsékleten korlátozható a gázok kölcsönös oldhatósága, és lehetséges a két gázfázis egyensúlyi együttélése; az ilyen rendszereket rétegző gázhalmazállapotú oldatoknak tekintik [9] .

Jegyzetek

  1. ↑ 1 2 3 Bazarov I.P., Termodinamika, 2010 , p. 22.
  2. ↑ Termodinamika. Alapfogalmak. Terminológia. A mennyiségek betűjeles megjelölései, 1984 , p. 7.
  3. ↑ A határfelület nem mindig látható szabad szemmel, de a rendszer heterogenitása kimutatható például a közeg optikai inhomogenitásával - Tyndall-kúp megjelenésével, amikor egy fénysugár áthalad egy kolloid rendszeren (ld. Viter V. N. Tyndall kúp (gyanta etanolos oldatát adtuk vízhez) ).
  4. ↑ 1 2 Gerasimov Ya. I. és társai, Fizikai kémia kurzusa, 1. kötet, 1970 , p. 27.
  5. ↑ Ovchinkin V. A. Fázisátmenetek és egyensúlyok, 2018 , p. négy.
  6. ↑ Gerasimov Ya. I. és társai, Fizikai kémia kurzusa, 1. kötet, 1970 , p. 26–27.
  7. ↑ Termodinamika. Alapfogalmak. Terminológia. A mennyiségek betűjeles megjelölései, 1984 , p. 6.
  8. ↑ A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , p. tizenöt.
  9. ↑ Anisimov M.A. , Gazy, 1988 , p. 474.
  10. ↑ Gonikberg M. G. Kémiai egyensúly és reakciósebesség nagy nyomáson.// M .: Szerk. Szovjetunió Tudományos Akadémia, 1960, p. 19-24

Irodalom

Linkek