Fáze (hmota) - Phase (matter)

Ve fyzikálních vědách je fáze oblast prostoru ( termodynamický systém ), v níž jsou všechny fyzikální vlastnosti materiálu v podstatě jednotné. Mezi příklady fyzikálních vlastností patří hustota , index lomu , magnetizace a chemické složení. Jednoduchý popis je, že fáze je oblast materiálu, který je chemicky jednotný, fyzicky odlišný a (často) mechanicky oddělitelný. V systému sestávajícím z ledu a vody ve skleněné nádobě jsou kostky ledu jednou fází, voda je druhou fází a vlhký vzduch je třetí fází nad ledem a vodou. Sklenice nádoby je další samostatnou fází. (Viz stav hmoty § Glass )

Termín fáze je někdy používán jako synonymum pro stav hmoty , ale může existovat několik nemísitelných fází stejného stavu hmoty. Termín fáze je také někdy používán k označení sady rovnovážných stavů ohraničených z hlediska stavových proměnných, jako je tlak a teplota fázovou hranicí na fázovém diagramu . Protože se fázové hranice vztahují ke změnám v organizaci hmoty, jako je změna z kapaliny na tuhou látku nebo jemnější změna z jedné krystalické struktury na druhou, je toto druhé použití podobné použití „fáze“ jako synonyma pro stav hmota. Nicméně, skupenství a fázových diagramů zvyklostem nejsou přiměřené s formální definici uvedené výše, a zamýšleném významu musí být určen částečně z kontextu, ve kterém je termín použit.

Malý kousek rychle tajícího argonového ledu ukazuje přechod z pevného na kapalný.

Typy fází

Fázový diagram železo-uhlík ukazující podmínky nutné k vytvoření různých fází

Zřetelné fáze lze popsat jako různé stavy hmoty, jako je plyn , kapalina , pevná látka , plazma nebo Bose -Einsteinův kondenzát . Užitečné mezofáze mezi pevnou a kapalnou tvoří další skupenství hmoty.

V daném stavu hmoty mohou také existovat odlišné fáze. Jak ukazuje diagram pro slitiny železa, existuje několik fází pro pevné i kapalné skupenství. Fáze mohou být také rozlišeny na základě rozpustnosti jako v polárních (hydrofilních) nebo nepolárních (hydrofobních). Směs vody (polární kapalina) a oleje (nepolární kapalina) se spontánně rozdělí na dvě fáze. Voda má velmi nízkou rozpustnost (je nerozpustná) v oleji a olej má nízkou rozpustnost ve vodě. Rozpustnost je maximální množství rozpuštěné látky, které se může rozpustit v rozpouštědle, než se rozpuštěná látka rozpustí a zůstane v oddělené fázi. Směs se může rozdělit na více než dvě kapalné fáze a koncept fázové separace se vztahuje na pevné látky, tj. Pevné látky mohou tvořit pevné roztoky nebo krystalizovat do odlišných krystalových fází. Páry kovů, které jsou vzájemně rozpustné, mohou tvořit slitiny , zatímco páry kovů, které jsou vzájemně nerozpustné, nemohou.

Bylo pozorováno až osm nemísitelných kapalných fází . Vzájemně nemísitelné kapalné fáze se tvoří z vody (vodná fáze), hydrofobních organických rozpouštědel, perfluorovaných uhlovodíků ( fluorová fáze ), silikonů, několika různých kovů a také z roztaveného fosforu. Ne všechna organická rozpouštědla jsou zcela mísitelná, např. Směs ethylenglykolu a toluenu se může rozdělit na dvě odlišné organické fáze.

Fáze se nemusí spontánně makroskopicky oddělovat. Emulze a koloidy jsou příklady nemísitelných kombinací fázových párů, které se fyzicky neoddělují.

Fázová rovnováha

Ponechá -li se ekvilibrace, bude mnoho kompozic tvořit jednotnou jedinou fázi, ale v závislosti na teplotě a tlaku se i jedna látka může rozdělit na dvě nebo více odlišných fází. V každé fázi jsou vlastnosti jednotné, ale mezi oběma fázemi se vlastnosti liší.

Voda v uzavřené nádobě se vzduchovým prostorem nad ní tvoří dvoufázový systém. Většina vody je v kapalné fázi, kde je zadržována vzájemnou přitažlivostí molekul vody. I při rovnovážném stavu jsou molekuly neustále v pohybu a jednou za čas získá molekula v kapalné fázi dostatek kinetické energie, aby se odpoutala od kapalné fáze a vstoupila do plynné fáze. Stejně tak se jednou za čas molekula páry srazí s povrchem kapaliny a kondenzuje do kapaliny. V rovnováze se procesy odpařování a kondenzace přesně vyrovnávají a nedochází k žádné čisté změně objemu obou fází.

Při pokojové teplotě a tlaku dosáhne vodní nádoba rovnováhy, když vzduch nad vodou má vlhkost asi 3%. Toto procento se zvyšuje s rostoucí teplotou. Při 100 ° C a atmosférickém tlaku není rovnováhy dosaženo, dokud není vzduch 100% voda. Pokud se kapalina zahřeje na něco málo přes 100 ° C, přechod z kapaliny na plyn nastane nejen na povrchu, ale v celém objemu kapaliny: voda vře.

Počet fází

Typický fázový diagram pro jednosložkový materiál s pevnými, kapalnými a plynnými fázemi. Plná zelená čára ukazuje obvyklý tvar čáry kapalina -pevná fáze. Tečkovaná zelená čára ukazuje anomální chování vody při zvyšování tlaku. Trojný bod a kritický bod se zobrazí jako červené tečky.

Pro dané složení jsou při dané teplotě a tlaku možné pouze určité fáze . Počet a typ fází, které se vytvoří, je těžké předvídat a je obvykle určen experimentem. Výsledky takových experimentů lze vykreslit do fázových diagramů .

Zde zobrazený fázový diagram je pro jednosložkový systém. V tomto jednoduchém systému fáze, které jsou možné, závisí pouze na tlaku a teplotě . Značení ukazuje body, kde mohou v rovnováze koexistovat dvě nebo více fází. Při teplotách a tlacích mimo značky bude v rovnováze pouze jedna fáze.

V diagramu modrá čára označující hranici mezi kapalinou a plynem nepokračuje neomezeně, ale končí v bodě nazývaném kritický bod . Jak se teplota a tlak blíží kritickému bodu, vlastnosti kapaliny a plynu se postupně podobají. V kritickém bodě se kapalina a plyn stávají nerozlišitelnými. Nad kritickým bodem již neexistují oddělené kapalné a plynné fáze: existuje pouze generická tekutá fáze označovaná jako superkritická tekutina . Ve vodě se kritický bod vyskytuje kolem 647 K (374 ° C nebo 705 ° F) a 22,064 MPa .

Neobvyklým rysem diagramu vodní fáze je, že čára pevné fáze - kapalné fáze (znázorněná tečkovanou zelenou čarou) má negativní sklon. U většiny látek je sklon kladný, což dokládá tmavě zelená čára. Tato neobvyklá vlastnost vody souvisí s ledem, který má nižší hustotu než kapalná voda. Zvýšení tlaku přivádí vodu do fáze s vyšší hustotou, což způsobuje tání.

Další zajímavou, i když ne neobvyklou vlastností fázového diagramu, je bod, kde se čára mezi pevnou a kapalnou fází setkává s čárou fáze kapalina - plyn. Křižovatka se označuje jako trojný bod . V trojitém bodě mohou všechny tři fáze koexistovat.

Experimentálně lze fázové linie relativně snadno zmapovat díky vzájemné závislosti teploty a tlaku, která se vyvíjí, když se tvoří více fází. Viz Gibbsovo fázové pravidlo . Zvažte zkušební zařízení sestávající z uzavřeného a dobře izolovaného válce vybaveného pístem. Ovládáním teploty a tlaku lze systém přenést do libovolného bodu fázového diagramu. Z bodu v oblasti stability pevných látek (levá strana diagramu) by zvýšení teploty systému přivedlo systém do oblasti, kde je rovnovážnou fází kapalina nebo plyn (v závislosti na tlaku). Pokud je píst pomalu spuštěn, systém bude sledovat křivku rostoucí teploty a tlaku v plynové oblasti fázového diagramu. V místě, kde plyn začíná kondenzovat na kapalinu, se směr teplotní a tlakové křivky prudce změní a bude se sledovat podél fázové linie, dokud veškerá voda nezkondenzuje.

Mezifaciální jevy

Mezi dvěma fázemi v rovnováze je úzká oblast, kde vlastnosti nejsou vlastnosti ani jedné fáze. Ačkoli tato oblast může být velmi tenká, může mít významné a snadno pozorovatelné efekty, jako například způsobení povrchového napětí kapaliny . Ve směsích se některé komponenty mohou přednostně pohybovat směrem k rozhraní . Pokud jde o modelování, popis nebo porozumění chování konkrétního systému, může být efektivní považovat mezifázovou oblast za samostatnou fázi.

Krystalové fáze

Jeden materiál může mít několik odlišných pevných skupenství schopných vytvářet oddělené fáze. Voda je známým příkladem takového materiálu. Například vodní led se běžně nachází v hexagonální formě ledu I h , ale může také existovat jako krychlový led I c , kosočtverečný led II a mnoho dalších forem. Polymorfismus je schopnost pevné látky existovat ve více než jedné krystalické formě. Pro čisté chemické prvky je polymorfismus známý jako alotropie . Například diamant , grafit a fullereny jsou různé alotropy uhlíku .

Fázové přechody

Když látka prochází fázovým přechodem (mění se z jednoho stavu hmoty do druhého), obvykle buď odebírá nebo uvolňuje energii. Když se například voda odpařuje, zvýšení kinetické energie, když se odpařující se molekuly dostanou z přitažlivých sil kapaliny, se projeví snížením teploty. Energie potřebná k vyvolání fázového přechodu je odebírána z vnitřní tepelné energie vody, která kapalinu ochlazuje na nižší teplotu; odpařování je proto užitečné pro chlazení. Viz Entalpie vaporizace . Opačný proces, kondenzace, uvolňuje teplo. Tepelná energie neboli entalpie spojená s přechodem mezi pevnou látkou a kapalinou je entalpie fúze a energie spojená s přechodem z pevné látky na plyn je entalpie sublimace .

Fáze mimo rovnováhu

Zatímco pro systémy v tepelné rovnováze jsou tradičně definovány fáze hmoty, práce na kvantově lokalizovaných systémech lokalizovaných mnoha těly (MBL) poskytla rámec pro definování fází mimo rovnováhu. Fáze MBL nikdy nedosáhnou tepelné rovnováhy a mohou umožnit nové formy řádu nepovolené v rovnováze prostřednictvím jevu známého jako kvantový řád chráněný lokalizací. Přechody mezi různými fázemi MBL a mezi fázemi MBL a termalizací jsou nové dynamické fázové přechody, jejichž vlastnosti jsou aktivní oblastí výzkumu.

Poznámky

Reference

externí odkazy