Μετάβαση Φάσης και Καταστάσεις Ύλης

Η δραστηριότητα μιας ουσίας που αλλάζει από τη μια κατάσταση στην άλλη ονομάζεται μετάβαση φάσης. Οποιοδήποτε στοιχείο ή ουσία μπορεί να μεταβεί από το ένα στάδιο στο άλλο σε έναν συγκεκριμένο συνδυασμό πίεσης και θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, όταν το νερό βράζει, μετατρέπεται από υγρό σε αέριο. Σε όλες αυτές τις φάσεις, ο εμπειρικός τύπος είναι απλώς μια κανονική συνάρτηση με συνεχείς διακυμάνσεις. Εκτός από τις ενώσεις που μεταναστεύουν από τη μια φάση στην άλλη, αλλάζουν τη λειτουργία τους απότομα. Οι υγρές, στερεές και αέριες φάσεις θα συζητηθούν σε αυτό το κεφάλαιο.

Καταστάσεις ύλης

Μια άλλη μέθοδος για τη μετάβαση φάσης εκμάθησης είναι η σύνδεσή τους με την αρχική κατάσταση της ύλης:

• Τα στερεά μπορεί είτε να λιώσουν είτε να εξαχνωθούν σε υγρά ή αέρια.
• Ένα υγρό μπορεί είτε να παγώσει για να γίνει στερεό είτε να εξατμιστεί για να σχηματίσει αέριο.
• Ένα αέριο μπορεί να παγώσει σε ένα υγρό, να καθιζάνει σε ένα στερεό ή να ιονιστεί σε πλάσμα.
• Το πλάσμα είναι ένα αέριο που μπορεί να απιονιστεί ή να επανενωθεί για να παράγει ένα άλλο αέριο. Θυμηθείτε ότι το πλάσμα είναι παρόμοιο με ένα αέριο, με τη διαφορά ότι τα σωματίδια είναι ευρύτερα μεταξύ τους και ιονισμένα.

Γιατί συμβαίνουν οι αλλαγές φάσης;

Οι περισσότερες μεταβάσεις φάσης προκαλούνται από μια μετατόπιση της ενέργειας του συστήματος. Η θερμοκρασία αυξάνει την κινητική ενέργεια των ατόμων και των μορίων, επιτρέποντάς τους να σπάσουν δεσμούς και να απομακρυνθούν. Ομοίως, η μείωση της θερμοκρασίας προκαλεί επιβράδυνση των σωματιδίων και καθιστά απλούστερο το σχηματισμό μιας σκληρής δομής. Τα σωματίδια ωθούνται μεταξύ τους αυξάνοντας την πίεση, ενώ η απομάκρυνση γίνεται δυνατή με τη μείωση της πίεσης.

Ένα διάγραμμα φάσης δείχνει την κατάσταση της ύλης οποιασδήποτε ουσίας σε μια δεδομένη θερμοκρασία και πίεση. Το πλάσμα σχηματίζεται όταν ένα ιονισμένο υλικό ιονίζεται. Ως αποτέλεσμα, ενώ η αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να προκαλέσει το σχηματισμό ιόντων, η μείωση της πίεσης, ακόμη και το κενό, δεν προκαλεί πάντα την ανάπτυξη πλάσματος.

Παράγοντες που επηρεάζουν τη μετάβαση φάσης

• Θερμοκρασία:Η θερμοκρασία μπορεί να αλλάξει τη φάση ενός στοιχείου. Η τοποθέτηση νερού σε μια κατάψυξη για να μετατραπεί σε πάγο είναι ένα συχνό παράδειγμα. Επειδή η πίεση του συστήματος παραμένει σταθερή, αυτή η μορφή μετατόπισης φάσης είναι γνωστή ως ισοβαρικός κύκλος.

• Πίεση:Η πίεση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μετατόπιση της φάσης του υλικού. Η πίεση θα αυξηθεί καθώς το έμβολο προσπαθεί να πιέσει το υγρό μέχρι να επιτευχθεί το σημείο τήξης του. Μετά από αυτό, το υγρό θα στερεοποιηθεί. Είναι ένα παράδειγμα ισοθερμικής διαδικασίας κατά την οποία η θερμοκρασία παραμένει σταθερή ενώ η πίεση αλλάζει.

Τύποι αλλαγής κατάστασης 

Μια μετάβαση φάσης συμβαίνει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία για κάθε δεδομένη πίεση, ακολουθούμενη συχνά από εκπομπή και απορρόφηση θερμότητας, καθώς και αλλαγή στο μέγεθος και τη συγκέντρωση. Υπάρχουν πολλές πολιτείες:

• Πάγωμα

Κατάψυξη είναι η μετατροπή της φυσικής κατάστασης από υγρή σε στερεή. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται σε εργαστήρια για τη συντήρηση λαχανικών (κονσερβοποιημένα τρόφιμα) και ζωικών προϊόντων.

• Βράσιμο

Ο βρασμός είναι η μέθοδος αλλαγής της υγρής φάσης μιας ουσίας σε μορφή ατμού.

• Συμπύκνωση

Η διαδικασία μέσω της οποίας ένα αντικείμενο αλλάζει τη φυσική του κατάσταση από αέριο σε υγρό ονομάζεται συμπύκνωση. Όταν πρόκειται για διάλυμα, υπάρχουν δύο συστατικά:μια διαλυμένη ουσία και ένας διαλύτης. Αυτή η μέθοδος βοηθά στον διαχωρισμό αυτών των αντιθέτων.

• Λήξη

Η τήξη μετατρέπει το υλικό από τη στερεά του σε υγρή κατάσταση. Στις περισσότερες περιπτώσεις, απορροφά θερμική ενέργεια από το περιβάλλον κατά τη διάρκεια της διαδικασίας.

• Εξάχνωση

Ο μετασχηματισμός μιας ύλης από στερεό σε ατμό είναι γνωστός ως εξάχνωση. Η στερεά και η αέρια φάση συνυπάρχουν στη θερμική ισορροπία σε όλη τη φάση εξάχνωσης.

Τι είναι η λανθάνουσα θερμότητα;

Η λανθάνουσα θερμότητα του υλικού για τη διαδικασία είναι η ποσότητα θερμότητας που απορροφάται ή μεταδίδεται ανά μονάδα μάζας καθ' όλη τη διάρκεια της μετάβασης του υλικού. Ο τύπος είναι:

Q =mL

όπου το L αντιπροσωπεύει τη λανθάνουσα θερμότητα.

Η λανθάνουσα θερμότητα ονομάζεται επίσης Θερμότητα Μετασχηματισμού. Η μονάδα του είναι cal/gm ή J/kg.

Λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης

Όταν τα στερεά θερμαίνονται, η θερμοκρασία τους αυξάνεται μέχρι να φτάσουν στο σημείο τήξης τους, οπότε και αρχίζουν να αλλάζουν. Η πρόσθετη θερμική ενέργεια έχει μικρή επίδραση στη θερμοκρασία όταν επιτευχθεί το σημείο τήξης. Αντίθετα, παρέχει ενέργεια για τη μετάβαση φάσης από στερεό σε υγρό, γνωστό ως τήξη. Το σύμβολο Latent Heat of Fusion Lf περιγράφει τη μετάβαση στερεού-υγρού. Η εξίσωση που περιγράφει τη διαδικασία τήξης είναι Q =μ Λ στ .

Λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης

Η θερμότητα της εξάτμισης είναι η ενέργεια που απαιτείται για τη μετατροπή ενός mol υγρού στο σημείο βρασμού του σε τυπική ατμοσφαιρική πίεση. Η περίσσεια θερμότητας απαιτείται για τη μετάβαση της φάσης μιας ουσίας από στερεή σε υγρή στη θερμοκρασία τήξης της ή από υγρή σε αέρια στη θερμοκρασία βρασμού της. Μόνο όταν η θερμοκρασία του αντικειμένου φτάσει σε ένα από αυτά τα στάδια εξατμίζεται. Η λανθάνουσα θερμότητα της εξάτμισης (ή η ενθαλπία της εξάτμισης) χρησιμοποιείται εδώ. Ωστόσο, η έννοια είναι ίδια με τη λανθάνουσα θερμότητα της σύντηξης. Η λανθάνουσα θερμότητα της εξάτμισης (Lv) συμβολίζει τη μετάβαση υγρού-αερίου, η εξίσωση είναι:Q =μ Λ v