Fázový diagram - Phase diagram
- Pro použití tohoto výrazu v matematice a fyzice viz fázový portrét a fázový prostor.

A fázový diagram v fyzikální chemie, inženýrství, mineralogie, a věda o materiálech je typ schéma slouží k zobrazení podmínek (tlak, teplota, objem atd.), při kterých je termodynamicky odlišný fáze (jako pevné, kapalné nebo plynné skupenství) se vyskytují a koexistují v rovnováha.
Přehled
Společné součásti fázového diagramu jsou linie rovnováhy nebo fázové hranice, které odkazují na čáry, které označují podmínky, za kterých může v rovnováze koexistovat více fází. Fázové přechody probíhají podél linií rovnováhy. Metastable fáze nejsou zobrazeny ve fázových diagramech, protože i přes jejich běžný výskyt nejde o rovnovážné fáze.
Trojité body jsou body na fázových diagramech, kde se protínají linie rovnováhy. Trojité body označují podmínky, za kterých mohou existovat tři různé fáze. Například diagram vodní fáze má trojný bod odpovídající jediné teplotě a tlaku, při kterém mohou ve stabilní rovnováze koexistovat pevná, kapalná a plynná voda (273.16 K. a parciální tlak par o 611.657 Pa).
The solidus je teplota, pod kterou je látka stabilní v pevném stavu. The likvidní je teplota, nad kterou je látka stabilní v kapalném stavu. Mezi solidem a likvidem může být mezera; v mezeře se látka skládá ze směsi krystalů a kapaliny (jako „kejda ").[1]
Pracovní kapaliny jsou často kategorizovány na základě tvaru jejich fázového diagramu.
Typy
2-rozměrné diagramy
Tlak vs teplota

Nejjednodušší fázové diagramy jsou diagramy tlaku a teploty jedné jednoduché látky, například voda. The sekery odpovídají tlak a teplota. Fázový diagram ukazuje v prostoru tlak-teplota čáry rovnováhy nebo fázové hranice mezi třemi fázemi pevný, kapalný, a plyn.
Křivky fázového diagramu ukazují body, kde se volná energie (a další odvozené vlastnosti) stávají neanalytickými: jejich deriváty s ohledem na souřadnice (v tomto příkladu teplota a tlak) se mění diskontinuálně (náhle). Například tepelná kapacita nádoby naplněné ledem se náhle změní, jak se nádoba zahřívá kolem bodu tání. Otevřené prostory, kde energie zdarma je analytický, odpovídají jednofázovým regionům. Jednofázové oblasti jsou odděleny řádky neanalytického chování, kde fázové přechody nastat, které se nazývají fázové hranice.
V diagramu vpravo fázová hranice mezi kapalinou a plynem nepokračuje donekonečna. Místo toho končí v bodě fázového diagramu, který se nazývá kritický bod. To odráží skutečnost, že při extrémně vysokých teplotách a tlacích se kapalná a plynná fáze stávají nerozeznatelnými,[2] v tom, co je známé jako nadkritická tekutina. Ve vodě se kritický bod vyskytuje kolem TC = 647,096 K (373,946 ° C), strC = 22,064 MPa (217,75 atm) a ρC = 356 kg / m3.[3]
Existence kritického bodu kapalina-plyn odhaluje mírnou nejednoznačnost při označování jednofázových oblastí. Když přecházíte z kapalné do plynné fáze, obvykle překročíte fázovou hranici, ale je možné zvolit cestu, která nikdy nepřekročí hranici tím, že půjdete doprava od kritického bodu. Kapalná a plynná fáze se tak mohou navzájem kontinuálně míchat. Hranice pevné a kapalné fáze může skončit v kritickém bodě, pouze pokud mají pevné a kapalné fáze stejné skupina symetrie.[Citace je zapotřebí ]
U většiny látek má hranice fázového diagramu pevná látka-kapalina (nebo křivka fúze) ve fázovém diagramu pozitivní sklon takže teplota tání stoupá s tlakem. To platí vždy, když je pevná fáze hustší než kapalná fáze.[4] Čím větší je tlak na danou látku, tím blíže k sobě jsou molekuly látky přivedeny, čímž se zvyšuje účinek látky mezimolekulární síly. Látka tedy vyžaduje, aby její molekuly měly vyšší teplotu, aby měly dostatek energie na to, aby se vymanily ze stálé struktury pevné fáze a vstoupily do kapalné fáze. Podobný koncept platí pro změny fáze kapalina-plyn.[5]
Voda je výjimkou, která má hranici pevné látky a kapaliny se záporným sklonem, takže teplota tání klesá s tlakem. K tomu dochází, protože led (pevná voda) je méně hustý než kapalná voda, jak ukazuje skutečnost, že led plave na vodě. Na molekulární úrovni je led méně hustý, protože má rozsáhlejší síť vodíkové vazby což vyžaduje větší oddělení molekul vody.[4] Mezi další výjimky patří antimon a vizmut.[6][7]
Hodnota sklonu dP/ dT je dán Clausius-Clapeyronova rovnice pro fúzi (tavení)[8]
kde ΔHfus je teplo fúze, které je vždy pozitivní, a ΔPROTIfus je změna objemu pro fúzi. U většiny látek ΔPROTIfus je kladný, takže sklon je kladný. Pro vodu a další výjimky však ΔPROTIfus je záporný, takže sklon je záporný.
Další termodynamické vlastnosti
Kromě teploty a tlaku mohou být ve fázových diagramech zobrazeny další termodynamické vlastnosti. Mezi příklady takových termodynamických vlastností patří konkrétní objem, specifická entalpie, nebo konkrétní entropie. Například jednosložkové grafy teploty vs. specifické entropie (T vs. s) pro vodu /pára nebo pro chladivo se běžně používají k ilustraci termodynamické cykly jako a Carnotův cyklus, Rankinův cyklus nebo parní kompresní chlazení cyklus.
Jakékoli dvě termodynamické veličiny mohou být zobrazeny na vodorovné a svislé ose dvourozměrného diagramu. Každá další termodynamická veličina může být ilustrována v krocích jako řada čar - zakřivené, přímé nebo kombinace zakřivené a přímé. Každý z těchto iso-lines představuje termodynamickou veličinu při určité konstantní hodnotě.

![]() | ![]() | ![]() |
entalpie – entropie (h–s) diagram pro páru | tlak – entalpie (str–h) diagram pro páru | teplota – entropie (T–s) diagram pro páru |
3-rozměrné diagramy

Je možné si představit trojrozměrné (3D) grafy ukazující tři termodynamické veličiny.[9][10] Například pro jednu komponentu může 3D typ kartézského souřadnicového grafu zobrazit teplotu (T) na jedné ose, tlak (str) na druhé ose a specifický objem (proti) na třetinu. Takový 3D graf se někdy nazývá a str–proti–T diagram. Rovnovážné podmínky jsou zobrazeny jako křivky na zakřiveném povrchu ve 3D s plochami pro pevnou, kapalnou a parní fázi a plochami, kde v rovnováze koexistují pevná a kapalná, pevná látka a pára nebo kapalina a pára. Čára na povrchu zvaná a trojitá čára je místo, kde mohou v rovnováze koexistovat všechny pevné látky, kapaliny a páry. Kritický bod zůstává bodem na povrchu i na 3D fázovém diagramu.
Pro vodu 3D str–proti–T schéma je vidět zde:[11]
3D fázový diagram vodních tekutin a vybraných ledů
An pravopisná projekce 3D str–proti–T graf znázorňující tlak a teplotu ve svislé a vodorovné ose sbalí 3D graf do standardního 2D diagramu tlaku a teploty. Když je to hotové, povrchy pevná látka-pára, pevná látka-kapalina a kapalná-pára se zhroutí do tří odpovídajících zakřivených čar, které se setkávají v trojitém bodě, což je složený ortografický průmět trojité čáry.
Binární směsi
Lze zkonstruovat i další mnohem složitější typy fázových diagramů, zvláště když je přítomna více než jedna čistá složka. V tom případě, koncentrace se stává důležitou proměnnou. Lze sestrojit fázová schémata s více než dvěma dimenzemi, která ukazují účinek více než dvou proměnných na fázi látky. Fázové diagramy mohou kromě teploty, tlaku a složení nebo místo nich používat i jiné proměnné, například sílu aplikovaného elektrického nebo magnetického pole, a mohou také zahrnovat látky, které přebírají více než jen tři stavy hmoty.


Jeden typ fázového diagramu vykresluje teplotu proti relativním koncentracím dvou látek v a binární směs volal a binární fázový diagram, jak je znázorněno vpravo. Taková směs může být buď a pevný roztok, eutektický nebo peritektický, mezi ostatními. Tyto dva typy směsí vedou k velmi odlišným grafům. Dalším typem binárního fázového diagramu je a diagram bodu varu pro směs dvou složek, tj. E. chemické sloučeniny. Pro dva konkrétní nestálý komponenty pod určitým tlakem jako např atmosférický tlak, diagram bodu varu ukazuje, co pára (plynové) směsi jsou v rovnováha s daným kapalným složením v závislosti na teplotě. V typickém binárním diagramu bodu varu je teplota vynesena na svislou osu a složení směsi na vodorovné ose.

Jednoduchý ukázkový diagram s hypotetickými složkami 1 a 2 vazeotropní směs je zobrazena vpravo. Skutečnost, že existují dvě oddělené zakřivené linie spojující body varu čistých složek, znamená, že složení páry obvykle není stejné jako složení kapaliny, se kterou je pára v rovnováze. Vidět Rovnováha pára – kapalina Pro více informací.
Kromě výše zmíněných typů fázových diagramů existují tisíce dalších možných kombinací. Některé z hlavních rysů fázových diagramů zahrnují shodné body, kde se pevná fáze transformuje přímo na kapalinu. K dispozici je také peritektoid, bod, kde se během chlazení spojí dvě pevné fáze do jedné pevné fáze. Inverze k tomu, když se jedna pevná fáze během chlazení transformuje na dvě pevné fáze, se nazývá eutektoid.
Složitým fázovým diagramem velkého technologického významu je diagram žehlička –uhlík systém na méně než 7% uhlíku (viz ocel ).
Osa x takového diagramu představuje koncentrační proměnnou směsi. Jelikož směsi obvykle nejsou zředěné a jejich hustota jako funkce teploty není obvykle známa, je upřednostňovaným měřítkem koncentrace molární zlomek. Objemová míra jako molarita by se to nedoporučovalo.
Krystaly
Polymorfní a polyamorfní látky mají více krystal nebo amorfní fáze, které lze grafovat podobným způsobem jako pevné, kapalné a plynné fáze.

Mezofáze
Některé organické materiály procházejí meziprodukty mezi pevnou a kapalnou látkou; tyto státy se nazývají mezofáze. Pozornost byla věnována mezofázím, protože umožňují zobrazovací zařízení a staly se komerčně důležitými prostřednictvím tzv tekutý krystal technologie. Fázové diagramy se používají k popisu výskytu mezofáz.[13]
Viz také
- CALPHAD (metoda)
- Shodné tání a nevhodné tání
- Gibbsovo fázové pravidlo
- Skleněné databáze
- Hamiltoniánská mechanika
- Fázová separace
- Schreinemakerova analýza
- Výpočetní termodynamika
- Ternární děj
- Pracovní kapaliny
Reference
- ^ Predel, Bruno; Hoch, Michael J. R .; Pool, Monte (2004). Fázové diagramy a heterogenní rovnováhy: Praktický úvod. Springer. ISBN 978-3-540-14011-5.
- ^ Papon, P .; Leblond, J .; Meijer, P. H. E. (2002). Fyzika fázového přechodu: koncepty a aplikace. Berlín: Springer. ISBN 978-3-540-43236-4.
- ^ Mezinárodní asociace pro vlastnosti vody a páry „Pokyny k používání základních fyzikálních konstant a základních konstant vody“, 2001, s. 5
- ^ A b Whitten, Kenneth W .; Galley, Kenneth D .; Davis, Raymond E. (1992). Obecná chemie (4. vydání). Nakladatelství Saunders College Publishing. p.477.
- ^ Dorin, Henry; Demmin, Peter E .; Gabel, Dorothy L. (1992). Chemistry: The Study of Matter Prentice (Čtvrté vydání). Prentice Hall. str.266–273. ISBN 978-0-13-127333-7.
- ^ Averill, Bruce A .; Eldredge, Patricia (2012). „Fázové diagramy 11.7“. Principy obecné chemie. Creative Commons.
- ^ Petrucci, Ralph H .; Harwood, William S .; Herring, F. Geoffrey (2002). Obecná chemie. Principy a moderní aplikace (8. vydání). Prentice Hall. p. 477.
- ^ Laidler, Keith J .; Meiser, John H. (1982). Fyzikální chemie. Benjamin / Cummings. str. 173–74.
- ^ Zemanský, Mark W .; Dittman, Richard H. (1981). Teplo a termodynamika (6. vydání). McGraw-Hill. Obr. 2-3, 2-4, 2-5, 10-10, P10-1. ISBN 978-0-07-072808-0.
- ^ Webový applet: 3D fázové diagramy pro vodu, oxid uhličitý a amoniak. Popsáno v Glasser, Leslie; Herráez, Angel; Hanson, Robert M. (2009). „Interaktivní 3D fázové diagramy využívající Jmol“. Journal of Chemical Education. 86 (5): 566. Bibcode:2009JChEd..86..566G. doi:10.1021 / ed086p566.
- ^ David, Carl (08.08.2016). "Verwiebeho" 3-D "přepracovaný fázový diagram ledu". Chemické vzdělávací materiály.
- ^ Podobný diagram lze nalézt na webu Struktura vody a věda. Vodní struktura a věda Web Martin Chaplin, přístup 2. července 2015.
- ^ Chandrasekhar, Sivaramakrishna (1992). Tekuté krystaly (2. vyd.). Cambridge University Press. str. 27–29, 356. ISBN 978-0-521-41747-1.
externí odkazy
- Příklad fázového diagramu železo-železo
- Jak vytvořit fázový diagram
- Fázové změny: Fázové diagramy: Část 1
- Rovnovážný Fe-C fázový diagram
- Fázové diagramy pro bezolovnaté pájky
- Knihovna fázových diagramů DoITPoMS
- Balíček pro výuku a učení DoITPoMS - „Fázové diagramy a solidifikace“
- Fázové diagramy: Počátek moudrosti - článek v deníku Open Access
- Binodální křivky, spojnice, pákové pravidlo a invariantní body - Jak číst fázové diagramy (Video od SciFox na TIB AV-Portal)