Vaihekaavio

Faasidiagrammi , tai vaihe kaavio , on graafinen esitys käytetään termodynamiikan , yleensä kahdessa tai kolmessa mitat , jotka edustavat alueita fyysisen tilan (tai vaihe ) järjestelmän ( puhdas aine tai seos puhtaiden aineiden), funktiona muuttujista, jotka on valittu helpottamaan tutkittujen ilmiöiden ymmärtämistä.

Yksinkertaisimmat kaaviot koskevat puhdasta ainetta, jonka lämpötilana ja paineena on muuttujia  . muut muuttujat usein käytetään entalpia , entropia , massamarkkinoiden , sekä massan tai tilavuuden pitoisuus jonkin puhtaan muodostavien aineiden seos.

Kun tutkittu järjestelmä on n puhtaan kappaleen seos , sen fyysinen tila määritetään komponenttien (n-1) riippumattomilla osuuksilla sekä lämpötilalla ja paineella. Täten kaksimuuttujakaavio voidaan siis luoda vain kiinnittämällä (n-1) järjestelmämuuttujat.

Se on tasapainoon liittyvä kaavio, joka ei anna mahdollisuutta kuvata metastabiilissa tilassa olevaa järjestelmää, kuten nestemäistä vettä alle 0  ° C : n lämpötilassa normaalissa ilmakehän paineessa ( ylijäähdytys ). Vuoden 2009 alussa laadittiin kaikki yksinkertaisten kevyiden elementtien vaihekaaviot, paitsi boorin, jonka pitäisi olla nopeasti saatavilla uuden boorimuodon, nimeltään " gamma-boori  ", onnistuneen synteesin jälkeen (osittain ioninen, mutta muodostaa vaikeampaa ja tiheämpi boori)

Kaavio puhtaasta ruumiista

Puhdasta ainetta on läsnä yhdessä tai useammassa kiinteässä, neste- ja kaasufaasissa paine- ja lämpötilaolosuhteista riippuen. Yleensä puhdas aine esiintyy yhdessä faasissa tietylle paineelle ja lämpötilalle, paitsi:

• on kolmoispisteen , jossa 3 vaihetta rinnakkain tietyssä lämpötilassa ja paineessa;
• parille (paine, lämpötila), joka vastaa tilan muutosta (tai vaihesiirtymistä ) joko:
  • kahden kiinteän faasin välillä: transformaatio kahden allotrooppisen lajikkeen välillä  ;
  • kiinteän faasin ja nestefaasin välillä: fuusio - jähmettyminen  ;
  • kiinteän faasin ja höyryfaasin (kaasu) välillä: sublimaatio - kiinteä kondensaatio  ;
  • nestefaasin ja höyryfaasin välillä: höyrystäminen - nesteyttäminen  ; neste-höyry-tilan muutoksen käyrä keskeytetään pisteessä kutsutaan kriittisen pisteen , jonka jälkeen elin esittelee vain yhden nesteen vaihe , melko lähellä (näkökulmasta katsottuna sen fyysiset ominaisuudet) kaasua paineissa kriittisen paineen alapuolella, melko lähellä nestettä paineissa, jotka ylittävät kriittisen paineen.

Kun kaikki esitetyt vaiheet vastaavat erilaisia ​​fyysisiä tiloja, puhumme joskus tilamuutoskaaviosta.

Yleensä tilan muutoksen käyrät P = f ( T ) kasvavat. Huomattava poikkeus on vesi, jonka sulamis- ja jähmettymiskäyrä pienenee (tämä tarkoittaa, että jää kelluu nestemäisellä vedellä).

Tämän käyrän kaltevuus annetaan Clapeyron-kaavalla  :

dPdT=LTΔV{\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} P} {\ mathrm {d} T}} = {\ frac {L} {T \, \ Delta V}}}

kanssa:

• L  : piilevä lämpö, ​​joka on yhtä suuri kuin tilanmuutoksen ΔH ( entalpian vaihtelu ) vakiopaineessa;
• Δ V  : molaarisen tilavuuden V vaihtelu vaiheenvaihdon aikana.

Esimerkkejä kaavioista

Veden erityistapaus

Huomautuksia 1 Puhdas kappale, joka on kosketuksessa ilmakehän kanssa, ei ole järjestelmä, joka koostuu yhdestä puhtaasta kappaleesta, koska ilmassa olevat kaasut on otettava huomioon. Tämä selittää esimerkiksi, että vesi esiintyy yleensä nestemäisessä tilassa ja höyryn tilassa ympäristön lämpötilassa, hyvin kaukana kiehumislämpötilastaan ​​( 100  ° C normaalissa ilmakehän paineessa). Itse asiassa osittainen paine vesihöyryn on sitten paljon alempi kuin ilmakehän paine. Vesihöyryn paine, jota kutsutaan höyrynpaine, suuruusluokkaa 0,006  atm ajan 0  ° C: ssa , kasvaen 100  ° C: seen , jossa se saavuttaa 1  atm . Tässä vaiheessa ilman ilmanpaine ei enää toimi peittävänä tehtävänä ja vesimolekyylit poistuvat yhtäkkiä väliaineesta: tämä on kiehumisen ilmiö . Jos tyhjiöpumppu laskee ilmanpainetta, veden kiehuminen voi tapahtua jopa ympäristön lämpötilaa alhaisemmassa lämpötilassa. Muistio 2 Kiinteässä tilassa runko voi joskus esiintyä useita kiteytymisen muotoja paineesta ja lämpötila-alueesta riippuen. Jokainen kiteytymismuoto muodostaa siten eri vaiheen, mikä tekee mahdolliseksi piirtää vaihekaavio.

Kaavio (P, V, T)

Puhtaan aineen (kaasu-neste-kiinteä) tilamuutosten tapauksessa tulokset esitetään joskus kolmiulotteisen kaavion muodossa, akselien ollessa paine P, järjestelmän käyttämä tilavuus V ja lämpötila T.

Tämä kolmiulotteinen kaavio on rakennettu kolmesta termodynamiikassa käytetystä kaaviosta  : tilamuutoskaaviot , Clapeyronin isotermiset kaaviot ja isobaarikaaviot.

Alla olevassa kuvassa on termodynaaminen kaavio kaavion "leikkauksena" tai "projektioksi" (P, V, T). Nuoli osoittaa heijastussuunnan.

Binaarinen ja kolminkertainen kaavio

Kun meillä on järjestelmä, joka koostuu kahdesta puhtaasta aineesta, järjestelmä voi olla useissa muodoissa:

• täysin kiinteä, kukin kappale kiteytyy erikseen;
• täysin kiinteä, kahden elimen ollessa täydellisesti sekoittuneena muodossa kiinteän liuoksen tai määritelty yhdiste, jota kutsutaan eutektinen , eutektoidi- , peritektisen tai peritectoid riippuen siitä, kuinka se hajoaa kuumennettaessa;
• kiinteä-nesteseos;
• täysin nestemäinen kahden sekoittumattoman nesteen (emulsio) tai yhden täysin homogeenisen nesteen (yksifaasiinen liuos ) muodossa;
• neste-kaasuseos (aerosoli tai kaasu nesteen yläpuolella);
• kaasu (kaasu on aina homogeeninen pienille korkeuden vaihteluille).

Yllä olevat tilat koostuvat joko yhdestä faasista (esim. Sekoittuvat nesteet tai kaasut) tai useista heterogeenisistä faaseista . Järjestelmän tila voidaan myös piirtää paineen, lämpötilan ja koostumuksen funktiona.

Jossa n puhtaiden aineiden, meillä on n pitoisuuksina, mutta vain n + 1 riippumaton parametrien paine ja lämpötila; itse asiassa pitoisuuksien summa on 100%, ja yksi konsentraatioista voidaan päätellä muista, joten se ei ole itsenäinen parametri.

Siksi tarvitsemme n + 1-ulotteisen kaavion edustamaan näitä n + 1 riippumattomia parametreja (3 ulottuvuutta kahdelle puhtaalle kappaleelle, 4 ulottuvuutta kolmelle puhtaalle kappaleelle). Esityksen yksinkertaistamiseksi asetetaan riittävä määrä parametreja kaksiulotteisen kaavion piirtämiseksi; seuraavia kaavioita pidetään usein:

• tietylle koostumukselle paine-lämpötila-vaihekaavio (P, T), samanlainen kuin puhtaan rungon kaavio;
• annetulle paineelle ja kahdelle puhtaalle aineelle binaarinen koostumus-lämpötilakaavio ( c , T);

• tietyn paineen ja lämpötilan ja kolme puhdasta aineiden osalta kolmiosaisessa kaaviossa ( c 1 , c 2 ), toisin sanoen vaiheen funktiona koostumuksesta; tapana, ja vaikka meillä on c 3  = 1- c 1 - c 2 , piirrämme tämän kaavion tasasivuiseen kolmioon ( c 1 , c 2 , c 3 )

Yhden kiinteän liuoksen kaavio

Joissakin tapauksissa, kuten hopea - kulta seokset , ei ole määritelty yhdiste. Näissä tapauksissa binaarikaavio on seuraava:

Meillä on

• T Tällä sulamislämpötila puhdasta ainetta A;
• T B puhtaan aineen B sulamislämpötila.

Määritämme:

• likviduslämpötila  : edellä tämän käyrän, tuote on täysin nestemäinen; liquidus määrittelee nesteen koostumuksen, joka on tasapainossa kiinteän aineen kanssa tietyssä lämpötilassa.
• jähmeän  : alle tämän käyrän, kaikki tuote on kiinteä; solidus määrittelee kiinteän aineen koostumuksen, joka on tasapainossa nesteen kanssa tietyssä lämpötilassa.

Likvidin ja soliduksen välissä on kiinteä-neste-seos. Tämän kaavion avulla voidaan ennustaa, miten jähmettyminen tapahtuu .

Määritetyt yhdisteet

Määritetyt yhdisteet ovat yhdisteitä, joiden faasimuutos tapahtuu vakiolämpötilassa. Pystysuoran olemassaolo binäärikaaviossa osoittaa määritellyn yhdisteen läsnäolon.

MgZn 2 voidaan mainita esimerkkinä . Kupari (Cu) ja tina (Sn) muodostavat myös määriteltyjä yhdisteitä.

Erotamme:

• eutektinen  : alhaalta eutektinen lämpötila, se käyttäytyy kuin puhdasta ainetta;
• eutektoidi-  : eutektoidi- tehdään kiinteän kiinteän faasin transformaation vakiolämpötilassa; ainoa ero eutektiikan kanssa on, että raja-lämpötilan yläpuolella oleva vaihe ei ole nestemäinen;
• peritektisen  : on muunnos kiinteä A → kiinteä B + nesteen tasaisessa lämpötilassa;
• péritectoïdes  : on muunnos kiinteä A → kiinteä B + kiinteä C vakiolämpötilassa.

Puhumme määritellystä yhdisteestä, jolla on yhtenevä fuusio, kun tämän määritellyn yhdisteen, jopa osittainen , fuusio johtaa saman koostumuksen nesteeseen (yllä olevassa kuvassa ei ole esimerkkiä).

Kuinka muodostat vaihekaavion?

Vaihekaavio laaditaan kokeellisesti: olosuhteet vaihtelevat ja vaihemuutokset havaitaan.

Vaihemuutoksia voidaan havaita useilla tavoilla:

• jotkut tuottavat lämpöä (esim. kondensoituminen tai eksoterminen kemiallinen reaktio ) tai absorboivat lämpöä (esim. fuusio tai endotermiset kemialliset reaktiot ), joten mittaamalla lämpövuotoja tiedetään tapahtuvan vaihemuutosta; tämä on termodifferential analysis (DTA);
• jotkut aiheuttavat tilavuuden muutoksen, supistumisen (kuten kiinteän aineen atomien tiivistyminen tai uudelleenjärjestely kompaktimmassa kokoonpanossa) tai laajenemisen (kuten kiinteän aineen höyrystyminen tai uudelleenjärjestely vähemmän kompaktissa kokoonpanossa) , sitten riittää mittaamaan tilavuuden muutokset esimerkiksi liikkuvalla männällä, voiman aikaansaadessa massan painolla tai hydraulijärjestelmällä;
• päinvastoin, painemuutoksia voidaan tarkkailla painemittarilla asettamalla tilavuus liikkuvalla männällä, jota käytetään loputtomalla ruuvilla  ;
• tarkkaile paljaalla silmällä järjestelmän tilaa (esim. sulavat kiteet);
• eri kiinteille faaseille eri kiteiset faasit voidaan tunnistaa röntgendiffraktiolla  ; analyysi voidaan suorittaa kuumalle näytteelle tai muuten näyte voidaan sammuttaa , ts. alistaa nopeasti jäähdytykselle niin, että se säilyttää tasapainorakenteensa kuumana myös kylmänä (ei siis ole tasapainossa).

Kiinteytymiskäyrä, jota käytetään tilanmuutoslämpötilan määrittämiseen, on saatu yksinkertaistetusta termodifferentsianalyysistä; se koostuu nesteen jäähtymisestä ja sen lämpötilan mittaamisesta. Lämpöhäviön nopeus on verrannollinen järjestelmän ja ulkoisen lämpötilaeroon, joten meillä on eksponentiaalinen käyrä. Kun tasanne havaitaan, se tarkoittaa, että näyte vapauttaa lämpöä, mikä on ominaista jähmettymiselle. Kiintoaineen vaihemuutoksen (kristallirakenteen muutoksen) aikana tasanne voidaan havaita samalla tavalla.

Huomautuksia ja viitteitä

Huomautuksia

1. Vuonna fysiikka , kutsumme vähitellen puhtaana aineena tai homogeenisen seoksen puhtaita aineita, jotka on tietyssä tilassa (kaasu, neste, amorfinen kiinteä aine, kiinteä aine kiteytettiin niin ja sellaisessa muodossa).
2. Korkeissa lämpötiloissa puhdas aine esiintyy plasman muodossa , jota pidetään aineen tilana.
3. Lämpötila kriittisen lämpötilan yläpuolella tai paine kriittisen paineen yläpuolella.
4. Kaasu, jonka lämpötila on korkeampi kuin sen kriittinen lämpötila, luokitellaan ylikriittiseksi  ; sitä on mahdotonta nesteyttää pelkästään puristamalla.

Viitteet

1. A.Oganov et ai. Nature, doi: 10; 1038 / nature07736 ( http://www.nature.com/nature/journal/v457/n7231/full/457800a.html Katso)

Katso myös

Aiheeseen liittyvät artikkelit

• Aineen tila
• Termodynamiikka
• Kolmikuvakaavio
• TTT-kaavio
• TRC-kaavio
• CALPHAD , vaihekaavion laskentamenetelmä