Giản đồ pha [PDF]

Zitiervorschau

Giản đồ pha Từ Wikipedia, bách khoa toàn thư miễn phí

Một sơ đồ giai đoạn trong ngành vật lý , kỹ thuật , khoáng vật học , và khoa học vật liệu là một loại biểu đồ được sử dụng để hiển thị điều kiện mà tại đó nhiệt động riêng biệt giai đoạn có thể xảy ra ở trạng thái cân bằng . Trong toán học và vật lý , "giai đoạn sơ đồ" được sử dụng với một ý nghĩa khác nhau: một từ đồng nghĩa với một không gian giai đoạn .

Nội dung 1 Tổng quan 2 loại sơ đồ giai đoạn 2.1 sơ đồ giai đoạn 2D 2.2 sơ đồ giai đoạn 3D 2.3 sơ đồ pha nhị phân 2.4 sơ đồ pha lê giai đoạn 2,5 sơ đồ Mesophase 3 Xem thêm 4 tài liệu tham khảo 5 Liên kết ngoài

Tổng quan Các thành phần chung của một sơ đồ giai đoạn là dòng trạng thái cân bằng hoặc giai đoạn ranh giới , mà chỉ đến dòng đánh dấu điều kiện mà nhiều giai đoạn có thể cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng. Giai đoạn chuyển tiếp xảy ra dọc theo dòng trạng thái cân bằng. Ba điểm là các điểm trên sơ đồ giai đoạn mà dòng trạng thái cân bằng giao nhau. Ba điểm đánh dấu điều kiện mà tại đó ba giai đoạn khác nhau có thể cùng tồn tại. Ví dụ, biểu đồ pha nước có một điểm ba tương ứng với nhiệt độ duy nhất và áp lực mà rắn, lỏng, khí và nước có thể cùng tồn tại trong một trạng thái cân bằng ổn định. Các solidus là nhiệt độ dưới mà chất này là ổn định ở trạng thái rắn. Các liquidus là nhiệt độ trên đó chất ổn định trong một trạng thái lỏng. Có thể có một khoảng cách giữa solidus và liquidus, trong khoảng cách, chất này bao gồm một hỗn hợp của các tinh thể và chất lỏng (như một "bùn"). [ 1 ]

Các loại sơ đồ giai đoạn Sơ đồ giai đoạn 2D Các sơ đồ giai đoạn đơn giản nhất là sơ đồ áp lực nhiệt độ của một chất đơn giản duy nhất, chẳng hạn như nước . Các trục tương ứng với áp lực và nhiệt độ . Giai đoạn sơ đồ cho thấy, trong không gian áp lực nhiệt độ, các đường ranh giới cân bằng hoặc giai đoạn giữa ba giai đoạn của rắn , chất lỏng và khí . Các đường cong trên sơ đồ pha, chỉ ra điểm mà năng lượng miễn phí (và các tài sản có nguồn gốc khác) trở nên không phân tích: các chất dẫn xuất của chúng đối với các tọa độ (nhiệt độ và áp suất trong ví dụ này) thay đổi không liên tục (đột ngột) với. Ví dụ, công suất nhiệt của một container chứa đầy nước đá sẽ thay đổi đột ngột như thùng chứa được làm nóng qua các điểm nóng chảy. Các không gian mở, nơi mà năng lượng miễn phí là phân tích , tương ứng với khu vực giai đoạn duy nhất. Khu vực giai đoạn duy nhất được phân cách bởi dòng không phân tích, trong đó giai đoạn chuyển tiếp xảy ra, được gọi là ranh giới giai đoạn .

Một sơ đồ giai đoạn điển hình. Dòng màu xanh lá cây rắn áp dụng cho hầu hết các chất, dòng màu xanh lá cây rải rác cho các hành vi bất thường của nước . Các đường màu xanh đánh dấu mức đóng băng và đường màu xanh điểm sôi , cho thấy làm thế nào họ thay đổi theo áp lực.

Trong sơ đồ bên trái, ranh giới giai đoạn giữa chất lỏng và khí không tiếp tục vô thời hạn. Thay vào đó, nó kết thúc tại một điểm trên sơ đồ giai đoạn được gọi là điểm quan trọng . Điều này phản ánh một thực tế rằng, ở nhiệt độ cực cao và áp lực, các giai đoạn lỏng và khí trở nên không thể phân biệt, [ 2 ] trong những gì được biết đến như một chất lỏng siêu tới hạn . Trong nước, điểm quan trọng xảy ra ở xung quanh T c = 647,096 K (373,946 ° C) , p c = 22,064 MPa (217,75 atm) và ρ c = 356 kg / m³. [ 3 ] Sự tồn tại của điểm quan trọng lỏng khí cho thấy một sự mơ hồ nhẹ trong ghi nhãn khu vực giai đoạn duy nhất. Khi đi từ chất lỏng pha khí, người ta thường đi qua ranh giới giai đoạn, nhưng nó có thể chọn một con đường mà không bao giờ vượt qua ranh giới bằng cách vào bên phải của điểm quan trọng. Như vậy, giai đoạn lỏng và khí có thể pha trộn liên tục vào nhau. Ranh giới pha rắn-lỏng chỉ có thể kết thúc ở một điểm quan trọng nếu các giai đoạn rắn và chất lỏng có cùng một nhóm đối xứng [ cần dẫn nguồn ] .

Ranh giới pha rắn-lỏng trong biểu đồ pha của hầu hết các chất có tích cực dốc , càng có nhiều áp lực đối với một chất nào đó, lại gần nhau hơn các phân tử của chất đó được đưa đến nhau, làm tăng hiệu quả của của chất lực giữa . Vì vậy, chất này đòi hỏi nhiệt độ cao hơn các phân tử của nó có đủ năng lượng để thoát ra khỏi mô hình cố định của pha rắn và bước vào giai đoạn lỏng. Một khái niệm tương tự áp dụng cho giai đoạn thay đổi chất lỏng-khí. [ 4 ] nước, vì tính chất đặc biệt của nó, là một trong một số trường hợp ngoại lệ. Tính chất nhiệt động lực học khác

Ngoài việc chỉ cần nhiệt độ hoặc áp suất, tính chất nhiệt động khác có thể được vẽ trong sơ đồ giai đoạn. Ví dụ về các tính chất nhiệt động như vậy bao gồm khối lượng cụ thể , entanpy cụ thể , hoặc cụ thể dữ liệu ngẫu nhiên . Ví dụ, đồ thị một thành phần của nhiệt độ so với dữ liệu ngẫu nhiên cụ thể (T vs s) đối với nước / hơi nước hoặc cho một chất làm lạnh thường được sử dụng để minh họa chu kỳ nhiệt động lực học như một chu trình Carnot , Rankine chu kỳ , hoặc lạnh hơi nén chu kỳ. Trong một đồ thị hai chiều , hai trong số các số lượng nhiệt có thể được hiển thị trên các trục ngang và dọc. Số lượng thermodymic bổ sung có thể được minh họa trong mỗi gia tăng như một loạt các đường thẳng - cong, thẳng, hoặc kết hợp cong và thẳng. Mỗi một trong các thành phần iso- dòng đại diện cho lượng nhiệt động lực học tại một giá trị hằng số nhất định.

Nhiệt độ so với sơ đồ giai đoạn dữ liệu ngẫu nhiên cụ thể đối với nước / hơi. Trong khu vực dưới mái vòm màu đỏ, nước lỏng và hơi nước cùng tồn tại trong trạng thái cân bằng. Điểm quan trọng là ở phía trên của mái vòm. Nước lỏng nằm bên trái của mái vòm. Hơi là ở bên phải của mái vòm. Các dòng / đường cong màu xanh là isobars thấy áp suất không đổi. Các đường màu xanh lá cây / đường cong isochors cho thấy khối lượng cụ thể liên tục. Các đường cong màu đỏ cho thấy chất lượng không đổi.

entanpy-entropy (h-s) sơ đồ cho hơi

áp-entanpy (p-h) sơ đồ cho hơi

nhiệt độ-entropy (T-s) sơ đồ cho hơi

Sơ đồ giai đoạn 3D Có thể hình dung đồ thị ba chiều (3D) cho thấy ba khối lượng nhiệt động lực học. [ 5 ] [ 6 ] Ví dụ cho một thành phần duy nhất, một Descartes loại đồ thị tọa độ 3D có thể hiển thị nhiệt độ (T) trên một trục, áp lực (p) trên một trục thứ hai, và khối lượng cụ thể (v) trên một phần ba. Như một đồ thị 3D đôi khi được gọi ap-v-T sơ đồ. Các điều kiện cân bằng sẽ được hiển thị như một bề mặt cong 3D với các khu vực cho rắn, lỏng và hơi giai đoạn và những nơi rắn và lỏng, rắn và hơi, hoặc chất lỏng và hơi cùng tồn tại trong trạng thái cân bằng. Một dòng trên bề mặt gọi là dòng ba là nơi rắn, lỏng và hơi đều có thể cùng tồn tại trong trạng thái cân bằng. Điểm quan trọng vẫn là một điểm trên bề mặt thậm chí trên một sơ đồ giai đoạn 3D. Một chiếu trực giao của 3D p-v-T đồ thị cho thấy áp lực và nhiệt độ như các trục dọc và ngang hiệu quả sụp đổ các âm mưu 3D thành một sơ đồ áp lực nhiệt độ 2D. Khi điều này được thực hiện, rắn hơi, rắn-lỏng, và chất lỏng hơi bề mặt sụp đổ vào ba đường cong tương ứng họp tại điểm ba, đó là chiếu chữ viết sụp đổ của dòng ba.

Sơ đồ giai đoạn nhị phân

Nhiều loại phức tạp hơn của sơ đồ giai đoạn có thể được xây dựng, đặc biệt là khi nhiều thành phần tinh khiết có mặt. Trong trường hợp đó, tập trung trở thành một yếu tố quan trọng. Sơ đồ giai đoạn với hơn hai kích thước có thể được xây dựng cho thấy hiệu quả của hơn hai biến vào giai đoạn của một chất. Sơ đồ giai đoạn có thể sử dụng các biến khác ngoài hoặc ở nơi nhiệt độ, áp suất và thành phần, ví dụ như sức mạnh của một điện trường hoặc từ trường được áp dụng, và họ cũng có thể liên quan đến các chất đi vào chi tiết hơn là chỉ ba trạng thái của vật chất.

p-v-T sơ đồ 3D cho số tiền cố định của vật liệu tinh khiết

Sắt sắt cacbua (Fe-Fe 3 C) giản đồ pha. Tỷ lệ hiện các-bon và nhiệt độ xác định các giai đoạn của hợp kim carbon sắt và do đặc tính vật lý của nó và tính chất cơ học. Tỷ lệ carbon xác định loại hợp kim sắt: sắt, thép hoặc gang

Một sơ đồ giai đoạn cho một hệ thống nhị phân hiển thị một điểm eutectic.

Một loại giai đoạn sơ đồ lô nhiệt độ so với nồng độ tương đối của hai chất trong một nhị phân hỗn hợp gọi là giản đồ pha nhị phân , như hình bên phải. Một hỗn hợp như vậy có thể là một giải pháp vững chắc , eutectic hoặc peritectic , trong số những người khác. Hai loại hỗn hợp kết quả trong đồ thị rất khác nhau. Một loại đồ pha nhị phân là một sơ đồ sôi điểm cho một hỗn hợp của hai thành phần, tức là hợp chất hóa học . Đối với hai đặc biệt dễ bay hơi các thành phần tại một áp lực nhất định chẳng hạn như áp suất khí quyển , một sơ đồ sôi điểm cho thấy những gì hơi (khí) là tác phẩm trong trạng thái cân bằng với các tác phẩm lỏng được tùy thuộc vào nhiệt độ. Trong một sơ đồ sôi điểm điển hình nhị phân, nhiệt độ được vẽ trên một trục thẳng đứng và thành phần hỗn hợp trên một trục nằm ngang. Một sơ đồ ví dụ đơn giản với các thành phần giả thuyết 1 và 2 trong một không azeotropic hỗn hợp được hiển thị ở bên phải. Thực tế là có hai đường cong riêng biệt nối các điểm sôi của các thành phần tinh khiết có nghĩa là các thành phần hơi thường là không giống như các thành phần chất lỏng hơi là cân bằng với. Xem trạng thái cân bằng hơi lỏng để biết thêm thông tin. Ngoài các loại được đề cập ở trên của sơ đồ giai đoạn, có hàng ngàn kết hợp có thể khác. Một số tính năng chính của sơ đồ giai đoạn bao gồm các điểm đồng dạng, nơi một pha rắn biến đổi trực tiếp thành chất lỏng. Ngoài ra còn có các peritectoid , một điểm mà hai giai đoạn kết hợp thành một pha rắn trong quá trình làm mát. Nghịch đảo của điều này, một pha rắn biến thành hai giai đoạn trong quá trình làm nóng, được gọi là cùng tích. Một sơ đồ giai đoạn phức tạp có tầm quan trọng công nghệ tuyệt vời là của sắt - carbon hệ thống ít hơn 7% carbon (xem thép ). Trục x của một sơ đồ như đại diện cho biến nồng độ hỗn hợp. Khi hỗn hợp thường xa loãng và mật độ của họ như một hàm của nhiệt độ thường là không rõ, biện pháp tập trung ưu tiên là mol . Một biện pháp dựa trên khối lượng như phân tử gam sẽ là không khôn ngoan.

Sơ đồ sôi điểm

Sơ đồ pha tinh thể Đa hình và polyamorphic chất có nhiều tinh thể hoặc vô định hình giai đoạn, có thể được vẽ trong một thời trang tương tự như rắn, lỏng, khí và các giai đoạn.

Log-lin áp lực nhiệt độ giản đồ pha của nước. Các chữ số La Mã chỉ ra nhiều giai đoạn băng .

Sơ đồ Mesophase Một số tài liệu hữu cơ đi qua trạng thái trung gian giữa chất rắn và chất lỏng, những quốc gia được gọi là mesophases . Sự chú ý đã được chỉ thị phải mesophases vì họ cho phép các thiết bị màn hình hiển thị và đã trở thành thương mại quan trọng thông qua cái gọi là tinh thể lỏng công nghệ. Sơ đồ giai đoạn được sử dụng để mô tả sự xuất hiện của mesophases. [ 7 ]

Xem thêm CALPHAD (phương pháp) Tan chảy đồng dạng và tan chảy không thích hợp Gibbs giai đoạn quy tắc Cơ sở dữ liệu thủy tinh Cơ Hamilton Phân chia các pha Phân tích của Schreinemaker

Tài liệu tham khảo 1. ^ Predel, Bruno; Hoch, Michael J. R, Hồ bơi, Monte. Sơ đồ giai đoạn cân bằng và không đồng nhất: Một giới thiệu thực tế . Springer. ISBN 3-540-14011-5 . 2. ^ P. Papon, J. Leblond, và PHE Meijer, Vật lí của giai đoạn chuyển tiếp - Các khái niệm và ứng dụng Springer 1999. 3. ^ Hiệp hội quốc tế về tính chất của nước và hơi "Hướng dẫn về việc sử dụng hằng số vật lý cơ bản và hằng số cơ bản của nước" (http://www.iapws.org/relguide/fundam.pdf) , 2001, p. 5 4. ^ Hóa học: Nghiên cứu của vật chất, Fourth Edition . Prentice Hall. trang 266-273. ISBN 0-13-127333-7 . 5. ^ nhiệt và nhiệt động lực học , Mark W. Zemansky, Richard H. Dittman, McGraw-Hill, lần thứ 6., năm 1981, con số 2-3, 2-4, 2-5, 10-10, P10-1, ISBN 0 -07-072808-9 . 6. ^ Web Applet: Sơ đồ giai đoạn 3D cho nước, Carbon Dioxide và Amoniac (http://biomodel.uah.es/Jmol/plots/phase-diagrams/) . Mô tả trong A. Herráez, RM Hanson, và L. Glasser J. Chem. Educ. 86 (5), 566 (tháng năm 2009) (http://jchemed.chem.wisc.edu/journal/issues/2009/May/abs566.html) . 7. ^ Sivaramakrishna Chandrasekhar (1992) tinh thể lỏng , phiên bản thứ 2, các trang 27-9, 356, Cambridge University Press ISBN 0-521-41747-3 .

Liên kết ngoài Sắt sắt Carbide Giai đoạn Sơ đồ Ví dụ (http://www.sv.vt.edu/classes/MSE2094_NoteBook/96ClassProj/examples/kimcon.html) Làm thế nào để xây dựng một sơ đồ giai đoạn (http://www.soton.ac.uk/~pasr1/build.htm) Thay đổi giai đoạn: Sơ đồ giai đoạn: Phần 1 (http://www.chm.davidson.edu/ChemistryApplets/PhaseChanges/PhaseDiagram1.html) Cân bằng giản đồ pha Fe-C (http://www.matter.org.uk/steelmatter/metallurgy/6_1_3_1.html) Sơ đồ giai đoạn để hàn chì (http://mtdata.software.googlepages.com/periodictableSolders.htm) DoITPoMS Giai đoạn Sơ đồ Thư viện (http://www.doitpoms.ac.uk/miclib/phase_diagrams.php) DoITPoMS dạy và học trọn gói "Sơ đồ pha và kiên cố hóa" (http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/phase-diagrams/index.php) Lấy từ " http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Phase_diagram&oldid=565333558 " Loại : Giai đoạn chuyển tiếp Hóa học cân bằng Khoa học vật liệu Luyện kim Bảng xếp hạng Sơ đồ Trang này được sửa đổi lần cuối vào ngày 22 tháng 7 năm 2013 tại 14:09. Văn bản được phát hành theo Giấy phép Creative Commons Ghi công-Chia sẻ tương tự, Điều khoản bổ sung có thể được áp dụng. Bằng cách sử dụng trang web này, bạn đồng ý với Điều khoản sử dụng và Chính sách bảo mật. Wikipedia ® là thương hiệu đã đăng ký của Wikimedia Foundation, Inc , một tổ chức phi lợi nhuận.