Фаза (в термодинамике)


Фаза (в термодинамике)
Фазовые переходы
Статья является частью серии «Термодинамика».
Понятие фазы
Равновесие фаз
Квантовый фазовый переход
Разделы термодинамики
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править

Термодинами́ческая фа́за — термодинамически однородная по составу и свойствам часть термодинамической системы, отделенная от других фаз поверхностями раздела, на которых скачком изменяются некоторые свойства системы. Другое опеределение: Фаза — гомогенная часть гетерогенной системы. В однокомпонентной системе разные фазы могут быть представлены различными агрегатными состояниями или разными полиморфными модификациями вещества. В многокомпонентной системе фазы могут иметь различный состав и структуру.

Содержание

Основные понятия

Газ всегда состоит из одной фазы, жидкость может состоять из нескольких жидких фаз разного состава (Ликвация, жидкостная несмешиваемость), но двух разных жидкостей одного состава в равновесии сосуществовать не может. Вещество в твердом состоянии может состоять из нескольких фаз, причем некоторые из них могут иметь одинаковый состав, но различную структуру (полиморфные модификации, аллотропия).

Разные фазы обладают различными вариантами упаковки молекул (для кристаллических фаз, различными кристаллическими решетками), и, следовательно, своими характерными значениями коэффициента сжимаемости, коэффициента теплового расширения и прочими характеристиками. Кроме того, различные фазы могут обладать разными электрическими (сегнетоэлектрики), магнитными (ферромагнетики), и оптическими свойствами (например, твёрдый кислород).

Термодинамические фазы на фазовой диаграмме

Фазовая диаграмма типичного вещества, имеющего твёрдую, жидкую и газообразную фазу

На фазовой диаграмме вещества различные термодинамические фазы занимают определённые области. Линии, разделяющие различные термодинамические фазы, называются линиями фазового перехода. Если вещество находится в условиях, отвечающих точке внутри какой-либо области, то оно полностью находится в этой термодинамической фазе. Если же состояние вещества отвечает точке на одной из линий фазовых переходов, то вещество в термодинамическом равновесии может находиться частично в одной, а частично в другой фазе. Пропорция двух фаз определяется, как правило, полной энергией, запасённой системой.

При медленном (адиабатическом) изменении давления или температуры вещество описывается движущейся точкой на фазовой диаграмме. Если эта точка в своём движении пересекает одну из линий, разделяющих термодинамические фазы, происходит фазовый переход, при котором физические свойства вещества меняются скачкообразно.

Не все фазы полностью отделены друг от друга линией фазового перехода. В некоторых случаях эта линия может обрываться, оканчиваясь критической точкой. В этом случае возможен постепенный, а не скачкообразный переход из одной фазы в другую, в обход линии фазовых переходов.

Точка на фазовой диаграмме, где сходятся три линии фазовых переходов, называется тройной точкой. Обычно под тройной точкой вещества подразумевается частный случай, когда сходятся линии плавления, кипения и сублимации, однако на достаточно богатых фазовых диаграммах может быть несколько тройных точек. Вещество в тройной точке в состоянии термодинамического равновесия может частично находиться во всех трёх фазах. На многомерных фазовых диаграммах (то есть если кроме температуры и давления присутствуют иные интенсивные величины) могут существовать четверные и т. д. точки.

Термодинамические фазы и агрегатные состояния вещества

Набор термодинамических фаз вещества обычно значительно богаче набора агрегатных состояний, т.е. одно и то же агрегатное состояние вещества может находиться в различных термодинамических фазах. Именно поэтому описание вещества в терминах агрегатных состояний довольно огрублённое, и оно не может различить некоторые физические разные ситуации.

Богатый набор термодинамических фаз связан, как правило, с различными вариантами порядка, которые допускаются в том или ином агрегатном состоянии.

  • В газообразном состоянии вещество не обладает никаким порядком. Соответственно, в газообразном состоянии любое вещество обладает только одной термодинамической фазой. (Фазовые переходы типа диссоциации молекул или ионизации являются, по определению, переходами одного вещества в другое).
  • Жидкость обладает трансляционным порядком, но, как правило, не обладает ориентационным порядком. В результате у одной и той же жидкости могут быть разные термодинамические фазы, однако количество их редко превышает единицу. Так, например, существование новой жидкой фазы обнаружено в переохлаждённой воде. Другой, специфический, пример: сверхтекучее состояние в жидком гелии.
  • Кристаллическое твёрдое тело обладает как трансляционным, так и ориентационным порядком. В результате даже возникает большое число возможных вариантов ориентации соседних молекул друг относительно друга, которые могут оказаться энергетически выгодными при тех или иных давлении и температуре. В результате твёрдые тела обладают, как правило, достаточно сложной фазовой диаграммой. Например, фазовая диаграмма такого, казалось бы, простого вещества, как лёд, насчитывает по крайней мере 12 термодинамических фаз, реализующихся при различных температурах и давлениях.

Выделение фаз

Выделение фаз — превращение гомогенной системы в двухфазную (или с числом фаз более двух) широко используется в науке и технике.

Кристаллизация позволяет получать чистые вещества.

При высоких давлениях может наблюдаться такое явление, как расслоение в системе газ — газ. На возможность существования гетерогенного равновесия в газовой смеси выше критической температуры было указано ещё Ван-дер-Ваальсом и затем она была проанализирована Камерлинг-Оннесом и Кеезомом. Экспериментальное доказательство наличия такого явления было впервые получено на примере системы аммиак — азот в 1941 г. В начале предполагалось, что ограниченная взаимная растворимость наблюдается лишь в газовых смесях, содержащих полярный компонент (аммиак, сероводород). Однако впоследствии было установлено расслоение смесей гелий — диоксид углерода, гелий — этилен и гелий — пропан. В системе гелий — этилен существование поверхности раздела фаз при ограниченной взаимной растворимости газов было подтверждено визуальными наблюдениями и фотографированием мениска между двумя газовыми фазами. При расслоении смеси газов иногда наблюдается так называемое баротропное явление — перемена местами двух сосуществующих фаз при увеличении давления. К примеру, в двойной системе NH3(ж.) — N2(г.) фаза, более богатая аммиаком имеет большую плотность. Однако при расслоении смеси (90 °C, 1800 ат (~1,84 кбар)) фаза, более богатая аммиаком имеет уже меньшую плотность и поднимается вверх.[1]

Внешние ссылки

Источники

  1. Гоникберг М. Г. Химическое равновесие и скорость реакций при высоких давлениях.// М.: Изд. АН СССР, 1960 г., c. 19 — 24

См. также


Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Фаза (в термодинамике)" в других словарях:

  • Фаза (в термодинамике) — Фаза в термодинамике, термодинамически равновесное состояние вещества, отличающееся по своим физическим свойствам от др. равновесных состояний (других фаз) того же вещества (см. Равновесие термодинамическое). Иногда неравновесное метастабильное… …   Большая советская энциклопедия

  • ФАЗА — в термодинамике, термодинамически равновесное состояние в ва, отличающееся по физ. св вам от др. возможных равновесных состояний (др. фаз) того же в ва (см. РАВНОВЕСИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ). Иногда неравновесное метастабильное состояние в ва также… …   Физическая энциклопедия

  • Фаза — [phase] в термодинамике ограниченная область системы с гомогенным распределением компонентов, характеризующаяся постянством состава и однородностью физико химических свойств. Переход веществ (газ, жидкость, твердое тело) из одной фазы в другую… …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • Фаза — I Фаза (от греч. phasis – появление)         период, ступень в развитии какого либо явления; см. также Фаза, Фаза колебаний. II Фаза         в термодинамике, термодинамически равновесное состояние вещества, отличающееся по своим физическим… …   Большая советская энциклопедия

  • ФАЗА — (от греч. phasis появление) 1) Ф. в теории колебаний и волн (в частности, перем. токов) величина, определяющая состояние колебат. процесса в каждый момент времени. Напр., для напряжения, совершающего гармонические колебания, и = umsinФ, где Ф =… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • ФАЗА — термин многозначный, широко используется в физике, геологии; в термодинамике это – термодинамическое равновесное состояние вещества, отличающееся по физическим свойствам от других возможных равновесных состояний того же вещества. Неравновесное… …   Палеомагнитология, петромагнитология и геология. Словарь-справочник.

  • Агрегатные состояния —         вещества, состояния одного и того же вещества (например, воды, железа, серы), переходы между которыми сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии (См. Свободная энергия), энтропии (См. Энтропия), плотности (См. Плотность) …   Большая советская энциклопедия

  • Сторонкин, Алексей Васильевич — А. В. Сторонкин. 1976 Алексей Васильевич Сторонкин (22 октября 1916, Петроград 14 июня 1994, Санкт Петербург) советский физикохимик, основатель кафедры теории растворов (в дальнейшем п …   Википедия

  • Сторонкин — Сторонкин, Алексей Васильевич А. В. Сторонкин. 1976 Алексей Васильевич Сторонкин (22 октября 1916, Петроград 14 июня 1994, Санкт Петербург) советский физикохимик, основатель кафедры теории растворов (в дальнейшем переименованной им в кафедру… …   Википедия

  • Термодинамические циклы — Термодинамические циклы …   Википедия