مفهوم اصلی
در این آموزش با ویژگی های اصلی آن آشنا می شوید نمودارهای فاز، همچنین به نام نمودارهای تغییر فازو همچنین انواع دیگر نمودارها و چگونگی تفسیر و درک اهمیت آنها.
موضوعات تحت پوشش در مقالات دیگر
واژگان
- تراکم – زمانی که یک ماده از حالت گازی به مایع می رود
- تبخیر – وقتی یک ماده از حالت مایع به گاز می رود
- ذوب – وقتی یک ماده از حالت مایع به جامد می رود
- ذوب شدن – هنگامی که یک ماده از حالت جامد به مایع تبدیل می شود
- تصعید – هنگامی که ماده مستقیماً از حالت جامد به گاز می رود
- گواهی – وقتی یک ماده مستقیماً از حالت گازی به حالت جامد می رود
- تغییر فاز – هنگامی که یک ماده از یک حالت ماده به حالت دیگر تغییر می کند (مثلاً جامد به مایع یا مایع به گاز)
نمودارهای Phase Chase چیست؟
انتقال فاز زمانی اتفاق می افتد که یک ماده از یک حالت ماده به حالت دیگر تغییر کند. سه حالت اولیه ماده وجود دارد: مایع، جامد و گاز.
نمودار فاز نموداری است که فازهای مختلف یک ماده را در چندین متغیر، اغلب دما و فشار، نشان می‌دهد. این نمودار می تواند به نشان دادن اینکه چگونه تغییر این متغیرها بر وضعیت ماده یک ماده خاص تأثیر می گذارد کمک کند.
نمودار فاز فشار-دما
نمودار فاز فشار و دما رایج ترین و اساسی ترین نوع است.
نمودار فازی از نوع نشان داده شده در بالا، فشار (در اتمسفر) را در مقابل دما (بر حسب درجه سانتیگراد یا کلوین) ترسیم می کند. خطوط جامد نشان دهنده مرزهای فاز هستند که به آنها “منحنی همزیستی” نیز گفته می شود، زیرا دو فاز در تعادل با یکدیگر وجود دارند. خط آبی نقطه جوش یا انتقال بین حالت مایع و گاز را نشان می دهد، خط سبز نقطه انجماد یا انتقال بین حالت مایع و جامد را نشان می دهد و خط قرمز شرایطی را نشان می دهد که حالت جامد می تواند مستقیماً به فاز گاز تبدیل شود. و بالعکس.
توضیحات نمودار فاز
در اینجا چند کلمه و عبارات متداول وجود دارد که هنگام یادگیری نمودارهای تغییر فاز خواهید شنید.
منحنی همجوشی (ذوب یا انجماد). – منحنی که انتقال بین حالت مایع و جامد را نشان می دهد
منحنی تبخیر (یا تراکم). – منحنی که انتقال بین حالت های گازی و مایع را نشان می دهد
منحنی تصعید (یا رسوب). – منحنی که انتقال بین حالت گازی و جامد را نشان می دهد
نقطه سه گانه – نقطه دما و فشاری که در آن گاز، مایع و جامد با هم در تعادل وجود دارند
نقطه بحرانی – نقطه دما و فشاری که در آن ماده بین حالت مایع و گاز قابل تشخیص نیست
مرز فاز – خطی که شرایطی را نشان می دهد که در آن دو حالت ماده با هم در تعادل وجود دارند
مورد خاص آب
یک مورد خاص که معمولاً مورد بحث قرار می گیرد نمودار فاز آب است. در نمودار بالا، خط سبز نقطه چین نشان دهنده منحنی همزیستی جامد و مایع در نمودار فاز آب است.
می بینیم که برای یک ماده متوسط، افزایش فشار مایع باعث عبور آن از منحنی و تبدیل شدن به یک جامد می شود. با این حال، برای آب، افزایش فشار جامد (یخ) ممکن است باعث عبور آن از منحنی و تبدیل آن به مایع شود. این رفتار نتیجه چگالی کم ساختار کریستالی یخ است که حاوی مقدار زیادی فضای آزاد به دلیل پیوند هیدروژنی است.
انواع دیگر نمودارهای Phase Chase
نمودار فاز فشار و دما تنها نوع آن نیست. متغیرهای ترمودینامیکی زیادی وجود دارند که می توانند بر رفتار فاز یک ماده تأثیر بگذارند، از جمله حجم، آنتروپی، آنتالپی و پتانسیل شیمیایی. شما می توانید از هر یک از این متغیرها برای ایجاد نمودار فازی استفاده کنید که نشان می دهد نمونه برای چه مقدار از دو متغیر جامد، مایع یا گاز است.
از آنجایی که یک نمودار دو بعدی فقط می تواند دو متغیر را به عنوان محور نشان دهد، گاهی اوقات متغیر سوم با منحنی های راه نشان داده می شود که نشان می دهد کجا این متغیر ثابت است. آنها بسته به متغیری که نشان می دهند نام های مختلفی دارند. برای مثال، ایزوبار فشار ثابت، حجم ثابت ایزوکر و دمای ثابت ایزوترم را نشان می دهد.
نمودارهای فاز سه بعدی
نمودارهای تغییر فاز سه بعدی، سه متغیر ترمودینامیکی را ترسیم می کنند و مناطقی از فضا را مربوط به فازهای مختلف نشان می دهند. در این نوع نمودار، یک خط سه گانه به جای یک نقطه سه گانه، و سطوح همزیستی به جای منحنی های همزیستی در زیر یک نمودار سه بعدی کلی وجود دارد که دما، فشار و حجم خاص را نشان می دهد.
مخلوط های باینری
مخلوط های دوتایی دارای نمودارهای فازی هستند که در برابر ترکیب رسم شده اند که معمولاً به صورت کسر مولی یک جزء نشان داده می شود. این نشان می دهد که چگونه رفتار فاز مخلوط به ترکیب خاص نمونه بستگی دارد. یکی از مهم ترین ویژگی های این نوع پلات می باشد نقطه یوتکتیک، که نقطه ای از نمودار است که نقطه ذوب کمترین است و معمولاً جایی در وسط می افتد. در نمودار زیر می توانید نقطه یوتکتیک را در حدود 40 درصد مول نیترات آمونیوم بیابید.
کریستال ها و چند شکلی ها
جامدات کریستالی می توانند ساختارهای متعددی داشته باشند که به متغیرهای ترمودینامیکی بستگی دارد. به همین دلیل است که ممکن است صحبت های شخصی در مورد اشکال مختلف یخ مانند ice II، ice III یا ice IV را بشنوید. همچنین ممکن است چندین کانی با فرمول شیمیایی مشابه مانند کلسیت و آراگونیت را مشاهده کنید که فازهای کریستالی (پلی مورف) متفاوتی از یک ماده هستند. در مواردی مانند این، مشاهده نمودار فاز با فازهای متعدد که همه آنها جامد هستند، معمول است.
مطالعه بیشتر – نمودارهای تغییر فاز
ترفند علمی ساده: فوراً آب را منجمد کنید (در وبلاگ سوزان کخ)