Діаграми фаз: Трійні точки, критичні точки та стани матерії

Вивчення діаграми фаз

Діаграма фаз відображає, який стан матерії — твердий, рідкий чи газ — є стабільним за заданого тиску та температури. На осі x намалюйте тиск, а на осі y — температуру, і площина розділяється на три області, відокремлені трьома кривими. Крива випаровування відокремлює твердий стан від газоподібного, крива танення — від рідкого, а крива насичення — від газоподібного. Перетнувши криву, речовина змінює свій стан; кожна точка на кривій відповідає парі тиску та температури, при якій два фази існують у стані рівноваги.

Усі три криві збігаються в одній точці — точці тройного пункту: єдиному тиску та температурі, за яких одночасно існують тверда, рідка та газова фази. Для води це 0,01°C при 611,657 Па (приблизно 0,006 атм) — тому воно було таким точним, що раніше воно визначало кельвін. Під тиском точки тройного пункту рідка вода не може існувати: лід, нагрітий при низькому тиску, безпосередньо сублімується у випар, що пояснює, чому сушені продукти та пиловники (твердий CO2, точка трійного пункту 5,1 атм) пропускають рідку фазу за звичайного атмосферного тиску.

Критична точка та зникнення межі

Слідуйте за кривою випаровування вгору і вона не продовжується назавжди — вона закінчується на критичній точці (374°C, 22.1 МПа для води). Понад цей тиск та температуру розрізнення між рідким та газоподібним станом зникає: більше немає теплоти утворення пари, яку можна вивільнити, і речовина перетворюється на єдину надкритичну рідину з щільністю між типовими значеннями рідини та газу. Надкритичний CO2 (вище 31.1°C, 7.4 МПа) використовується в промисловості для вилучення кофеїну з кавових зерен та ефірних олій з рослин, оскільки він дифундує як газ, але розчиняється як рідина, і просто випускання тиску не залишає слідів.

water:     triple point   0.01 °C,  0.006 atm
           critical point  374 °C,  218  atm
CO2:       triple point  -56.6 °C,  5.11 atm
           critical point  31.1 °C,  72.8 atm

Чому крива танення води має зворотний нахил

Майже у всіх речовин крива танення має позитивний нахил — стискання твердого тіла сильніше призводить до танення за вищої температури, оскільки тверде тіло щільніше за рідке і тиск схильний до меншого об'єму. Вода є відомим винятком: лід приблизно на 9% менш щільний, ніж рідина води, тому крива танення має невеликий зворотній нахил. Натискаючи на лід біля 0°C, ми змушуємо його рухатися до щільнішого рідкого стану і можемо розтопити його при нижчій температурі — частина (дуже спірне) пояснення того, як ковзає скейт, поряд із термічним нагріванням.

Нахил кількісно визначається рівнянням Клапейрона-Мулліна, яке пов'язує градієнт будь-якої кривої співіснування з ентальпією та зміною об’єму переходу:

dP/dT = ΔS / ΔV = L / (T * ΔV) L = теплота фазового переходу (Дж/моль) T = температура співіснування (К) ΔV = зміна молярного об’єму, V_фаза2 - V_фаза1 Оскільки ΔV від'ємне для переходу танення води (рідина щільніша за тверде тіло), а L позитивне, dP/dT виходить негативним — один чистий доказ того, чому крива має зворотний нахил з термодинамічної точки зору.

dP/dT = ΔS / ΔV  =  L / (T · ΔV)

L  = latent heat of the transition (J/mol)
T  = coexistence temperature (K)
ΔV = molar volume change, V_phase2 - V_phase1

Стабільні стани: переоходження та перенагрівання

Графіки показують, де фази перебувають у рівновазі, а не де відбуваються переходи фаз. У дуже чистим контейнері вода може бути охолодженою нижче 0°C без замерзання (переоходження) або нагрітою вище 100°C без кипіння (перенагрівання), оскільки утворення нової фази потребує зародка — бульбашки, частинки пилу, подряпини на склі — і чисті, незмінені рідини можуть його не мати. Це також пояснює, чому переохожена хмарна крапля миттєво замерзає, коли до неї торкається крила літака або коли її трясуть у пляшці, надаючи їй місце для зародження.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Phase Diagram і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.