Faza termodinamica

Faza termodinamică  este o parte omogenă a unui sistem eterogen , limitată de interfața [1] [2] . Mai puțin strict, dar mai clar, o fază este o parte omogenă a sistemului, separată de restul părților printr-o interfață [ 3] vizibilă [ 4] , pe care orice caracteristici ale fazei [5] se schimbă brusc , de exemplu , densitate , compoziție, proprietăți optice. În acest caz, un set de părți omogene individuale ale sistemului cu aceleași proprietăți este considerat o fază (de exemplu, un set de cristale dintr- o substanță sau un set de picături lichide suspendate într-un gaz și formând ceață ) [6] . Fiecare fază a sistemului este caracterizată de propria sa ecuație de stare [4] .

La trecerea prin interfață, cel puțin o proprietate termodinamică a substanței se modifică brusc [1] [7] . Adesea (dar nu întotdeauna) interfața este vizibilă cu ochiul liber.

Un sistem omogen conține o singură fază; un sistem eterogen este format din două sau mai multe faze [8] . Sistemul gheață - apă - aer umed este un sistem trifazat eterogen. Într-un sistem monocomponent, diferite faze pot fi reprezentate prin diferite stări agregate sau diferite modificări polimorfe ale unui solid ( sulf rombic și monoclinic, staniu gri și alb etc.) [1] . Numărul de faze dintr-un sistem eterogen respectă regula fazei Gibbs .

Într-un sistem multicomponent, fazele pot avea compoziții și structuri diferite. În orice caz, dacă există o separare de fază, se presupune în principiu că o substanță poate trece de la o fază la alta. Un sistem multifazic este în echilibru termodinamic dacă toate fazele sale sunt în echilibru mecanic , termic și de fază între ele.

Concepte de bază

Un gaz constă aproape întotdeauna dintr-o fază [K 1] , un lichid poate consta din mai multe faze lichide de compoziție diferită ( segregare , nemiscibilitate lichidă ), dar două lichide diferite de aceeași compoziție nu pot coexista în echilibru ( heliul lichid este o excepție) . O substanță în stare solidă poate consta din mai multe faze, dintre care unele pot avea aceeași compoziție, dar o structură diferită ( modificări polimorfe, alotropie ).

Diferite faze au diferite opțiuni de împachetare moleculară (pentru fazele cristaline, diferite rețele cristaline) și, în consecință, propriile valori caracteristice ale coeficientului de compresibilitate, coeficientului de dilatare termică și altor caracteristici. În plus, diferite faze pot avea proprietăți electrice (feroelectrice), magnetice (feromagneți) și optice (de exemplu, oxigen solid).

Fazele termodinamice în diagrama de fază

Pe diagrama de fază a unei substanțe, diferite faze termodinamice ocupă anumite zone. Liniile care separă diferite faze termodinamice sunt numite linii de tranziție de fază . Dacă o substanță se află în condiții corespunzătoare unui punct din interiorul unei regiuni, atunci este complet în această fază termodinamică. Dacă starea unei substanțe corespunde unui punct de pe una dintre liniile de tranziție de fază, atunci substanța aflată în echilibru termodinamic poate fi parțial într-una și parțial într-o altă fază. Proporția a două faze este determinată, de regulă, de energia totală stocată de sistem.

Cu o schimbare lentă a presiunii sau a temperaturii, substanța este descrisă printr-un punct în mișcare pe diagrama de fază. Dacă acest punct al mișcării sale traversează una dintre liniile care separă fazele termodinamice, are loc o tranziție de fază , în care proprietățile fizice ale substanței se schimbă brusc.

Nu toate fazele sunt complet separate una de cealaltă printr-o linie de tranziție de fază. În unele cazuri, această linie se poate rupe, terminându-se cu un punct critic . În acest caz, este posibilă o tranziție treptată, mai degrabă decât bruscă, de la o fază la alta, ocolind linia tranzițiilor de fază.

Punctul de pe diagrama de fază în care converg cele trei linii de tranziție de fază se numește punct triplu . De obicei, punctul triplu al unei substanțe este înțeles ca un caz special când liniile de topire, fierbere și sublimare converg, cu toate acestea, pot exista mai multe puncte triple pe diagrame de fază suficient de bogate. O substanță aflată într-un punct triplu într-o stare de echilibru termodinamic poate fi parțial în toate cele trei faze. Pe diagramele de fază multidimensionale (adică dacă sunt prezente și alte cantități intensive în plus față de temperatură și presiune), pot exista puncte cvadruple și alte puncte.

Fazele termodinamice și stările agregate ale materiei

Setul de faze termodinamice ale unei substanțe este de obicei mult mai bogat decât setul de stări agregate , adică aceeași stare agregată a unei substanțe poate fi în diferite faze termodinamice. De aceea, descrierea materiei în termeni de stări agregate este destul de grosieră și nu poate face distincția între unele situații fizice diferite.

Un set bogat de faze termodinamice este asociat, de regulă, cu diverse opțiuni de ordine care sunt permise într-o anumită stare de agregare.

• În stare gazoasă, materia nu are ordine. În consecință, în stare gazoasă, orice substanță are o singură fază termodinamică. (Tranzițiile de fază precum disocierea moleculară sau ionizarea sunt, prin definiție, tranziții de la o substanță la alta).
• Un fluid posedă o ordine de orientare, dar în general nu are o ordine de translație . Ca urmare, același lichid poate avea faze termodinamice diferite, dar numărul lor depășește rar una. Deci, de exemplu, existența unei noi faze lichide a fost descoperită în apa suprarăcită . Un alt exemplu este starea superfluid în heliu lichid .
• Un solid cristalin are atât ordine de translație , cât și de orientare. Ca urmare, apar un număr mare de variante posibile ale orientării moleculelor învecinate unele față de altele, care se pot dovedi a fi favorabile din punct de vedere energetic la anumite presiuni și temperaturi. Ca rezultat, corpurile solide, de regulă, au o diagramă de fază destul de complexă. De exemplu, diagrama de fază a unei substanțe aparent simple precum gheața are cel puțin 12 faze termodinamice care sunt realizate la temperaturi și presiuni diferite.

Selectarea fazei

Separarea fazelor  - transformarea unui sistem omogen într-un sistem cu două sau mai multe faze - este utilizată pe scară largă în știință și tehnologie.

Cristalizarea face posibilă obținerea de substanțe pure.

La presiuni mari, se poate observa un astfel de fenomen precum stratificarea în sistemul gaz-gaz. Posibilitatea existenței unui echilibru eterogen într-un amestec de gaze peste temperatura critică a fost subliniată de van der Waals , iar apoi acest fenomen a fost analizat de Kamerling-Onnes și Keesom . Dovada experimentală a prezenței unui astfel de fenomen a fost obținută pentru prima dată folosind exemplul sistemului amoniac  - azot în 1941. Inițial, s-a presupus că solubilitatea reciprocă limitată a fost observată numai în amestecurile de gaze care conțin o componentă polară ( amoniac , hidrogen sulfurat ). Cu toate acestea, separarea amestecurilor de heliu  - dioxid de carbon , heliu- etilenă și heliu- propan a fost ulterior stabilită . În sistemul heliu-etilenă, existența unei suprafețe de separare a fazelor cu solubilitate reciprocă limitată a gazelor a fost confirmată prin observații vizuale și fotografierea meniscului dintre cele două faze gazoase.

Când un amestec de gaze este separat,  se observă uneori așa-numitul fenomen barotropic - o schimbare a locurilor a două faze coexistente cu creșterea presiunii. De exemplu, în sistemul binar NH 3 (l.) - N 2 (g.), faza mai bogată în amoniac are o densitate mai mare. Cu toate acestea, atunci când amestecul se separă (90 °C, 1800 la (~1,84 kbar)), faza mai bogată în amoniac are deja o densitate mai mică și crește [10] .

Vezi și

• Regula fazei
• hipotermie
• Supraîncălzi
• Phase-change Dual  este o tehnologie de înregistrare a discurilor optice bazată pe o schimbare dublă a stării de fază a unei substanțe.

Comentarii

1. ↑ La presiuni joase, gazele se amestecă între ele în orice raport. La presiuni și temperaturi ridicate peste cea critică , solubilitatea reciprocă a gazelor poate fi limitată și este posibilă coexistența de echilibru a două faze gazoase; astfel de sisteme sunt considerate soluții gazoase stratificatoare [9] .

Note

1. ↑ 1 2 3 Bazarov I.P., Termodinamică, 2010 , p. 22.
2. ↑ Termodinamică. Noțiuni de bază. Terminologie. Scrisoare desemnări de cantități, 1984 , p. 7.
3. ↑ Interfața nu este întotdeauna vizibilă cu ochiul liber, dar eterogenitatea sistemului poate fi detectată, de exemplu, prin neomogenitatea optică a mediului - apariția unui con Tyndall atunci când un fascicul de lumină trece printr-un sistem coloidal (vezi Con Viter V.N. Tyndall (o soluție de colofoniu în etanol a fost adăugată în apă) ).
4. ↑ 1 2 Gerasimov Ya. I. și colab., Curs de chimie fizică, vol. 1, 1970 , p. 27.
5. ↑ Ovchinkin V. A. Tranziții de fază și echilibre, 2018 , p. patru.
6. ↑ Gerasimov Ya. I. et al., Curs de chimie fizică, vol. 1, 1970 , p. 26–27.
7. ↑ Termodinamică. Noțiuni de bază. Terminologie. Scrisoare desemnări de cantități, 1984 , p. 6.
8. ↑ A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , p. cincisprezece.
9. ↑ Anisimov M.A. , Gazy, 1988 , p. 474.
10. ↑ Gonikberg M. G. Echilibrul chimic și viteza de reacție la presiuni mari.// M .: Ed. Academia de Științe a URSS, 1960, p. 19 - 24

Literatură

• Anisimov M.A. Gaze  // Enciclopedie chimică . - Enciclopedia Sovietică , 1988. - T. 1: Abl - Dar . - S. 474-475 . (Rusă)
• Bazarov I.P. Termodinamică. - a 5-a ed. - SPb.-M.-Krasnodar: Lan, 2010. - 384 p. - (Manuale pentru universităţi. Literatură specială). - ISBN 978-5-8114-1003-3 .
• Gerasimov Ya. I., Dreving V. P., Eremin E. N. et al. Curs de chimie fizică / Ed. ed. Da. I. Gerasimova. - Ed. a II-a. - M . : Chimie, 1970. - T. I. - 592 p.
• Munster A. Termodinamică chimică / Per. cu el. sub. ed. membru corespondent Academia de Științe a URSS Ya. I. Gerasimova. — M .: Mir, 1971. — 296 p.
• Ovchinkin VA Tranziții de fază și echilibru. - M. : Fizmatkniga, 2018. - 48 p. - ISBN 978-5-89155-282-1 .
• Sivukhin DV Curs general de fizică. - T. II. Termodinamica si fizica moleculara. - ed. a V-a, Rev. - M . : FIZMATLIT, 2005. - 544 p. - ISBN 5-9221-0601-5 .
• Termodinamica. Noțiuni de bază. Terminologie. Litere de desemnare a cantităților / Resp. ed. I. I. Novikov . - Academia de Științe a URSS. Comitetul de terminologie științifică și tehnică. Culegere de definiții. Problema. 103. - M. : Nauka, 1984. - 40 p.

Link -uri

• Fizicienii francezi au descoperit un sistem care se întărește reversibil odată cu creșterea temperaturii  - α- ciclodextrină , apă și 4-metilpiridină