Termodynaaminen vaihe

Termodynaaminen vaihe  on heterogeenisen järjestelmän homogeeninen osa , jota rajoittaa rajapinta [1] [2] . Vähemmän tiukasti, mutta selkeämmin vaihe on järjestelmän homogeeninen osa, joka on erotettu muista osista näkyvällä [3] rajapinnalla [4] , jossa vaiheen [5] ominaisuudet muuttuvat äkillisesti , esim. , tiheys , koostumus, optiset ominaisuudet. Tässä tapauksessa järjestelmän yksittäisten homogeenisten osien joukkoa, joilla on samat ominaisuudet, pidetään yhtenä faasina (esimerkiksi joukko yhden aineen kiteitä tai joukko nestepisaroita, joka on ripustettu kaasuun ja muodostaa sumun ) [6] . Järjestelmän jokaiselle vaiheelle on tunnusomaista oma tilayhtälönsä [4] .

Kulkiessaan rajapinnan läpi ainakin yksi aineen termodynaaminen ominaisuus muuttuu äkillisesti [1] [7] . Usein (mutta ei aina) käyttöliittymä näkyy paljaalla silmällä.

Homogeeninen järjestelmä sisältää vain yhden vaiheen; heterogeeninen järjestelmä koostuu kahdesta tai useammasta vaiheesta [8] . Jää - vesi - kostea ilma -järjestelmä on heterogeeninen kolmivaiheinen järjestelmä. Yksikomponenttisessa järjestelmässä eri faaseja voidaan esittää erilaisilla aggregaattitiloilla tai erilaisilla kiinteän aineen polymorfisilla modifikaatioilla (rombinen ja monokliininen rikki , harmaa ja valkoinen tina jne.) [1] . Heterogeenisen järjestelmän vaiheiden lukumäärä noudattaa Gibbsin vaihesääntöä .

Monikomponenttijärjestelmässä faaseilla voi olla erilaisia ​​koostumuksia ja rakenteita. Joka tapauksessa, jos faasierotus tapahtuu, se tarkoittaa periaatteessa, että aine voi siirtyä faasista toiseen. Monifaasijärjestelmä on termodynaamisessa tasapainossa, jos kaikki sen faasit ovat mekaanisessa , termisessä ja faasitasapainossa keskenään.

Peruskäsitteet

Kaasu koostuu lähes aina yhdestä faasista [K 1] , neste voi koostua useista eri koostumuksellisista nestefaaseista ( erottuminen , nesteen sekoittumattomuus ), mutta kaksi saman koostumuksen erilaista nestettä eivät voi esiintyä tasapainossa ( nestemäinen helium on poikkeus) . Kiinteässä tilassa oleva aine voi koostua useista faaseista, joista joillakin voi olla sama koostumus mutta erilainen rakenne ( polymorfiset modifikaatiot, allotropia ).

Eri faaseilla on erilaiset molekyylipakkausvaihtoehdot (kiteisille faaseille, erilaisille kidehiloille), ja näin ollen omat ominaisarvonsa kokoonpuristuvuuskertoimelle, lämpölaajenemiskertoimelle ja muille ominaisuuksille. Lisäksi eri vaiheilla voi olla erilaisia ​​sähköisiä (ferrosähköisiä), magneettisia (ferromagneetteja) ja optisia ominaisuuksia (esimerkiksi kiinteä happi).

Termodynaamiset vaiheet vaihekaaviossa

Aineen faasikaaviossa erilaiset termodynaamiset faasit vievät tietyt alueet. Eri termodynaamisia faaseja erottavia viivoja kutsutaan faasisiirtymäviivoiksi . Jos aine on olosuhteissa, jotka vastaavat pistettä jonkin alueen sisällä, niin se on täysin tässä termodynaamisessa vaiheessa. Jos aineen tila vastaa pistettä jollakin faasimuutosviivalla, niin termodynaamisessa tasapainossa oleva aine voi olla osittain yhdessä ja osittain toisessa faasissa. Kahden vaiheen osuus määräytyy pääsääntöisesti järjestelmän varastoiman kokonaisenergian mukaan.

Kun paine tai lämpötila muuttuu hitaasti, ainetta kuvataan liikkuvalla pisteellä faasikaaviossa. Jos tämä piste liikkeessä ylittää yhden termodynaamisia faaseja erottavista viivoista, tapahtuu faasimuutos , jossa aineen fysikaaliset ominaisuudet muuttuvat äkillisesti.

Kaikki vaiheet eivät ole täysin erotettu toisistaan ​​vaihesiirtymäviivalla. Joissakin tapauksissa tämä viiva voi katketa ​​ja päättyä kriittiseen pisteeseen . Tässä tapauksessa asteittainen eikä äkillinen siirtyminen vaiheesta toiseen on mahdollista ohittaen vaihemuutoslinjan.

Vaihekaavion pistettä, jossa kolme vaihesiirtymäviivaa suppenevat, kutsutaan kolmoispisteeksi . Yleensä aineen kolmoispiste ymmärretään erikoistapaukseksi, kun sulamis-, kiehumis- ja sublimaatioviivat yhtyvät, mutta riittävän rikkaissa faasikaavioissa voi olla useita kolmoispisteitä. Termodynaamisen tasapainotilan kolmoispisteessä oleva aine voi olla osittain kaikissa kolmessa faasissa. Moniulotteisissa vaihekaavioissa (eli jos lämpötilan ja paineen lisäksi on muita intensiivisiä määriä) voi esiintyä nelinkertaisia ​​ja muita pisteitä.

Termodynaamiset faasit ja aineen aggregoidut tilat

Aineen termodynaamisten faasien joukko on yleensä paljon rikkaampi kuin aggregaattitilojen joukko , eli aineen sama aggregaattitila voi olla eri termodynaamisissa faaseissa. Siksi aineen kuvaus aggregaattitilojen suhteen on melko karkeaa, eikä se pysty erottamaan joitain erilaisia ​​fyysisiä tilanteita.

Runsas joukko termodynaamisia vaiheita liittyy yleensä erilaisiin järjestysvaihtoehtoihin , jotka ovat sallittuja tietyssä aggregaatiotilassa.

Vaiheen valinta

Vaiheerottelua  - homogeenisen järjestelmän muuntamista kaksi- tai monivaiheiseksi - käytetään laajalti tieteessä ja tekniikassa.

Kiteyttäminen mahdollistaa puhtaiden aineiden saamisen.

Korkeilla paineilla voidaan havaita sellainen ilmiö kuin kerrostuminen kaasu-kaasujärjestelmässä. Mahdollisuuden heterogeenisen tasapainon olemassaolosta kriittisen lämpötilan yläpuolella olevassa kaasuseoksessa osoitti van der Waals , minkä jälkeen tätä ilmiötä analysoivat Kamerling-Onnes ja Keesom . Kokeellinen todiste tällaisen ilmiön esiintymisestä saatiin ensimmäisen kerran käyttämällä esimerkkiä ammoniakki  - typpijärjestelmästä vuonna 1941. Aluksi oletettiin, että rajallista keskinäistä liukoisuutta havaittiin vain kaasuseoksissa, jotka sisälsivät polaarista komponenttia ( ammoniakkia , rikkivetyä ). Helium  - hiilidioksidi- , helium - etyleen- ja helium - propaani - seosten erottelu kuitenkin perustettiin myöhemmin . Helium-eteenijärjestelmässä faasien erotuspinnan olemassaolo, jossa kaasujen keskinäinen liukoisuus on rajoitettu, vahvistettiin visuaalisilla havainnoilla ja valokuvaamalla meniskistä kahden kaasufaasin välillä.

Kun kaasuseos erotetaan, havaitaan joskus ns. barotrooppinen ilmiö  - kahden rinnakkaisen faasin paikkojen muutos paineen kasvaessa. Esimerkiksi binäärijärjestelmässä NH 3 (l.) - N 2 (g.) ammoniakkirikkaamman faasin tiheys on suurempi. Kuitenkin, kun seos erottuu (90 °C, 1800 at (~1,84 kbar)) ammoniakkirikkaamman faasin tiheys on jo pienempi ja se nousee [10] .

Katso myös

Kommentit

  1. ↑ Matalissa paineissa kaasut sekoittuvat keskenään missä suhteessa tahansa. Korkeissa paineissa ja lämpötiloissa, jotka ovat kriittisen korkeampia , kaasujen keskinäistä liukoisuutta voidaan rajoittaa ja kahden kaasufaasin tasapainoinen rinnakkaiselo on mahdollista; tällaisia ​​järjestelmiä pidetään kerrostuvina kaasumaisina liuoksina [9] .

Muistiinpanot

  1. ↑ 1 2 3 Bazarov I.P., Termodynamiikka, 2010 , s. 22.
  2. ↑ Termodynamiikka. Peruskonseptit. Terminologia. Määrien kirjainmerkinnät, 1984 , s. 7.
  3. ↑ Rajapinta ei aina näy paljaalla silmällä, mutta järjestelmän heterogeenisuus voidaan havaita esimerkiksi väliaineen optisen epähomogeenisuuden perusteella - Tyndall-kartion ilmaantuessa, kun valonsäde kulkee kolloidisen järjestelmän läpi (ks. Viter V. N. Tyndall kartio (hartsin liuos etanolissa lisättiin veteen) ).
  4. ↑ 1 2 Gerasimov Ya. I. et ai., Course of Physical Chemistry, osa 1, 1970 , s. 27.
  5. ↑ Ovchinkin V. A. Vaihesiirtymät ja tasapainot, 2018 , s. neljä.
  6. ↑ Gerasimov Ya. I. et ai., Course of Physical Chemistry, osa 1, 1970 , s. 26–27.
  7. ↑ Termodynamiikka. Peruskonseptit. Terminologia. Määrien kirjainmerkinnät, 1984 , s. 6.
  8. ↑ A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , s. viisitoista.
  9. ↑ Anisimov M.A. , Gazy, 1988 , s. 474.
  10. ↑ Gonikberg M. G. Kemiallinen tasapaino ja reaktionopeus korkeissa paineissa.// M .: Ed. Neuvostoliiton tiedeakatemia, 1960, s. 19-24

Kirjallisuus

Linkit