Ορισμός διαγράμματος φάσης

Ένα διάγραμμα φάσης είναι μια γραφική αναπαράσταση των διαφορετικών καταστάσεων της θερμοδυναμικής ισορροπίας ενός συστήματος κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Αυτός ο τύπος γραφήματος μας επιτρέπει να προβλέψουμε, μεταξύ άλλων, τις φάσεις που υπάρχουν υπό ορισμένες συνθήκες, καθώς και την αναλογία στην οποία βρίσκεται κάθε φάση και τη σύνθεσή της, στην περίπτωση δυαδικών μειγμάτων ή πιο πολύπλοκων μιγμάτων .

Τύποι διαγραμμάτων φάσεων

Διαγράμματα φάσεων ενός συστατικού (διαγράμματα καθαρής ουσίας)

Αυτά τα διαγράμματα δείχνουν τις διαφορετικές φάσεις ή καταστάσεις συσσωμάτωσης στις οποίες μπορεί να βρεθεί μια καθαρή ουσία σε διαφορετικές τιμές θερμοκρασίας και πίεσης. Αυτά τα διαγράμματα φάσεων μπορεί να γίνουν πολύ περίπλοκα, ειδικά στη στερεά φάση, όπου οι συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης μπορούν να ευνοήσουν το σχηματισμό πολλαπλών διαφορετικών κρυσταλλικών δομών με σημαντικά διαφορετικές ιδιότητες .

Το τυπικό σχήμα ενός διαγράμματος φάσης για μια καθαρή ουσία φαίνεται παρακάτω:

Δύο παραδείγματα τυπικών διαγραμμάτων φάσης μιας καθαρής ουσίας είναι αυτά του στοιχειακού άνθρακα και ηλίου, τα οποία φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Ο άνθρακας , ένα μη μέταλλο , μπορεί να υπάρχει σε διαφορετικά στερεά αλλοτρόπα (γραφίτη και διαμάντι). Μπορεί επίσης να εμφανιστεί σε υγρή και αέρια κατάσταση. Στην περίπτωση του ηλίου, αυτό είναι ένα αέριο που δεν μπορεί εύκολα να υγροποιηθεί.

Διαγράμματα φάσεων δυαδικών συστημάτων (διαγράμματα δύο συστατικών)

Τα δυαδικά διαγράμματα φάσης αποτελούνται από μια γραφική αναπαράσταση των φάσεων που σχηματίζονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες ή σε διαφορετικές πιέσεις σε ένα σύστημα που αποτελείται από δύο συστατικά (δυαδικό σύστημα) ως συνάρτηση της συνολικής σύνθεσης του συστήματος (συνήθως αναπαρίσταται στον άξονα Χ) .

Ανάλογα με τα συγκεκριμένα συστατικά του μείγματος, αυτά τα συστήματα μπορούν να δημιουργήσουν διαφορετικούς τύπους διαγραμμάτων φάσης. Σε ορισμένα από αυτά τα διαγράμματα σχηματίζονται ξεχωριστές φάσεις των καθαρών συστατικών σε διαφορετικές καταστάσεις συσσωμάτωσης (στερεό, υγρό ή αέριο), ενώ σε άλλες περιπτώσεις σχηματίζονται ομοιογενείς φάσεις και των δύο συστατικών.

Δύο δυαδικά διαγράμματα φάσεων φαίνονται παρακάτω. Το πρώτο είναι ένα παράδειγμα δυαδικού συστήματος που σχηματίζει ένα ευτηκτικό μείγμα, ενώ το δεύτερο όχι.

Διαγράμματα φάσεων τριμερών συστημάτων (διαγράμματα τριών συστατικών)

Σε αυτά τα διαγράμματα χρησιμοποιείται ένα τρίγωνο για να αναπαραστήσει, σε κάθε πλευρά, τη σύνθεση καθενός από τα τρία δυαδικά συστήματα που μπορούν να σχηματιστούν μεταξύ τριών συστατικών. Οποιοδήποτε σημείο μέσα στο τρίγωνο αντιπροσωπεύει ένα τριμερές σύστημα καθορισμένης σύνθεσης.

Σε αυτές τις περιπτώσεις, η συγκέντρωση κάθε είδους θα πρέπει να αντιπροσωπεύεται, είτε ως μοριακό κλάσμα ή κλάσμα μάζας (για να διασφαλιστεί ότι όλα τα κλάσματα αθροίζονται σε 1) είτε ως ποσοστό (για να διασφαλιστεί ότι η συνολική συγκέντρωση αθροίζεται πάντα έως και 100%). ).

Για κάθε πιθανή σύνθεση του συστήματος, σε σταθερή θερμοκρασία και πίεση, φαίνεται η φάση ή οι φάσεις που υπάρχουν.

Κατασκευή διαγράμματος φάσεων

Η διαδικασία κατασκευής ενός διαγράμματος φάσης μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε θεωρητικά είτε από πειραματικές πληροφορίες. Στην πρώτη περίπτωση, οι θερμοδυναμικές εξισώσεις χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της κατάστασης ισορροπίας ενός συστήματος (είτε είναι καθαρή ουσία, δυαδικό μείγμα ή τριμερές σύστημα) ανάλογα με τις ιδιότητες του συστήματος και τη σύνθεσή του. Εκτός από σχετικά απλά συστήματα, αυτή η προσέγγιση είναι αρκετά περίπλοκη και δύσκολη στην υλοποίηση.

Από πειραματικής άποψης, οι διαδικασίες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διαγραμμάτων φάσης είναι συνήθως παρόμοιες, ανεξάρτητα από τον τύπο του εν λόγω διαγράμματος φάσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτό που επιδιώκεται είναι να ξεκινήσετε από ένα σύστημα σε μια αρχική κατάσταση καλά καθορισμένο από την άποψη της σύνθεσης και άλλων ιδιοτήτων του και παρατηρείται με κάποιο τρόπο (με γυμνό μάτι ή μέσω οργανικών τεχνικών). ποια φάση ή φάσεις υπάρχουν. Στη συνέχεια, αλλάξτε σταδιακά ορισμένες από τις ιδιότητες του συστήματος, διατηρώντας όλες τις άλλες ιδιότητες σταθερές, λαμβάνοντας υπόψη οποιαδήποτε αλλαγή κατάστασης και τις συνθήκες υπό τις οποίες συνέβη αυτή η αλλαγή κατάστασης.

Κατασκευή διαγραμμάτων καθαρών ουσιών

Στην περίπτωση των καθαρών ουσιών , συνήθως ρυθμίζεται μια πίεση και στη συνέχεια η θερμοκρασία μεταβάλλεται, αντιπροσωπεύοντας τα σημεία αλλαγής φάσης στο ύψος της αντίστοιχης πίεσης στο διάγραμμα. Στη συνέχεια αλλάζει η πίεση και η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Η ένωση των σημείων όπου συμβαίνουν οι αλλαγές φάσης και οι τομές μεταξύ των καμπυλών που προκύπτουν επιτρέπουν την κατασκευή του διαγράμματος φάσης, υποδεικνύοντας σε κάθε περιοχή σε κάθε πλευρά κάθε καμπύλης ποια φάση είναι παρούσα.

Κατασκευή δυαδικών διαγραμμάτων

Στην περίπτωση των δυαδικών συστημάτων, το ένα ξεκινά κανονικά με τα δύο καθαρά συστατικά σε μια καθορισμένη πίεση ή θερμοκρασία και μεταβάλλει την άλλη μεταβλητή (θερμοκρασία ή πίεση, αντίστοιχα), σημειώνοντας ξανά τη θερμοκρασία ή την πίεση στην οποία συμβαίνει κάποια αλλαγή φάσης. Αυτά τα σημεία αναπαρίστανται στους κατακόρυφους άξονες. Το ένα στα δεξιά αντιπροσωπεύει ένα από τα καθαρά συστατικά και το ένα στα αριστερά το άλλο.

Στη συνέχεια, παρασκευάζονται μείγματα και των δύο συστατικών με συγκεντρώσεις που ορίζονται ως προς το μοριακό ή το κλάσμα μάζας τους (ή τα ποσοστά τους). Για κάθε σύνθεση (χαρακτηρισμένη στον άξονα x) αλλάξτε ξανά τη θερμοκρασία ή την πίεση και σημειώστε τις αλλαγές φάσης όπως πριν.

Κατασκευή τριμερών διαγραμμάτων

Η διαδικασία για τα τριμερή διαγράμματα είναι συνήθως λίγο πιο περίπλοκη. Σε ορισμένες περιπτώσεις, στόχος είναι να παρασκευαστούν μείγματα που να εκτείνονται παράλληλα σε μία από τις πλευρές του διαγράμματος, σε άλλες περιπτώσεις γίνεται κάθετα και σε άλλες περιπτώσεις διαγώνια. Κάθε μία από αυτές τις περιηγήσεις έχει τον δικό της ιδιαίτερο πειραματικό τρόπο επίτευξης, συμπεριλαμβανομένης της μίξης ενός σταθερού δυαδικού συστήματος με αυξανόμενες ποσότητες του τρίτου συστατικού και αντίστροφα, μεταξύ άλλων.

Σε τι χρησιμεύουν τα διαγράμματα φάσεων;

Η εφαρμογή των διαγραμμάτων φάσης εξαρτάται από τον συγκεκριμένο τύπο διαγράμματος φάσης.

Χρησιμότητα διαγραμμάτων φάσης καθαρών ουσιών

Στην περίπτωση διαγραμμάτων καθαρών ουσιών, το διάγραμμα φάσεων μας παρέχει σαφείς πληροφορίες για τη φάση στην οποία θα βρίσκεται το σύστημα σε συνάρτηση με την πίεση και τη θερμοκρασία. Χάρη σε αυτό, μας επιτρέπει επίσης να προβλέψουμε τις αλλαγές φάσης που πρέπει να συμβούν όταν περνάμε ένα σύστημα από μια αρχική κατάσταση σε μια τελική μέσω διαφορετικών μονοπατιών.

Από την άλλη πλευρά, αυτός ο τύπος διαγραμμάτων φάσης καθιστά επίσης δυνατή την πρόβλεψη των θερμοκρασιών αλλαγής φάσης (ή των σημείων αλλαγής φάσης) μιας καθαρής ουσίας σε διαφορετικές πιέσεις. Για παράδειγμα, μπορούμε να δούμε καθαρά πώς αλλάζουν τα σημεία βρασμού και τήξης ως συνάρτηση της πίεσης.

Χρησιμότητα δυαδικών διαγραμμάτων φάσης

Στην περίπτωση των δυαδικών διαγραμμάτων φάσης, αυτά προσφέρουν πληροφορίες για τις διάφορες φάσεις, τις αναλογίες τους και τη σύνθεσή τους όταν μεταβάλλουμε, είτε τη θερμοκρασία που διατηρεί σταθερή την πίεση είτε την πίεση που διατηρεί σταθερή τη θερμοκρασία. Όντας δισδιάστατα διαγράμματα, γενικά δεν είναι δυνατό να παρατηρηθούν ταυτόχρονα οι αλλαγές φάσης, οι αναλογίες στις οποίες υπάρχει κάθε φάση και η σύνθεσή της ως συνάρτηση της θερμοκρασίας και της πίεσης. Ωστόσο, η κατασκευή δυαδικών διαγραμμάτων φάσης ως συνάρτηση της θερμοκρασίας σε διαφορετικές πιέσεις μπορεί να μας δώσει αυτές τις πληροφορίες έμμεσα.

Τα διαγράμματα φάσεων των δυαδικών συστημάτων μας επιτρέπουν να μελετήσουμε τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαφορετικών φάσεων που μπορούν να σχηματιστούν μεταξύ δύο διαφορετικών χημικών ουσιών. Αυτές οι φάσεις μπορεί να περιλαμβάνουν καθαρές φάσεις και των δύο συστατικών σε διαφορετικές καταστάσεις (στερεό και υγρό, για παράδειγμα) ή ομοιογενείς φάσεις που περιέχουν και τα δύο συστατικά (όπως κράματα, διαλύματα, συνκρύσταλλα κ.λπ.).

Χάρη στα παραπάνω, τα δυαδικά διαγράμματα φάσης επιτρέπουν την αναγνώριση ευτηκτικών συστημάτων, τα οποία είναι δυαδικά συστήματα που λιώνουν σε μία μόνο θερμοκρασία και των οποίων το σημείο τήξης είναι χαμηλότερο από αυτό ενός από τα δύο καθαρά συστατικά. Επιπλέον, επιτρέπουν τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας τήξης αυτού του συστήματος, γνωστής ως ευτηκτικό σημείο. Αυτό είναι πολύ σημαντικό σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές, καθώς επιτρέπει την αναγνώριση και τον σχεδιασμό κραμάτων μετάλλων υψηλής αντοχής και χαμηλής τήξης χρήσιμων, για παράδειγμα, στη συγκόλληση.

Χρησιμότητα διαγραμμάτων τριών φάσεων

Τέλος, στα διαγράμματα τριών φάσεων χρησιμοποιείται ένα τριγωνικό διάγραμμα για να μπορεί να αναπαραστήσει ταυτόχρονα σε ένα σημείο τις αναλογίες στις οποίες βρίσκονται τα τρία συστατικά ενός τριμερούς μείγματος. Αυτό σημαίνει ότι σε αυτά τα διαγράμματα δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε την επίδραση της θερμοκρασίας και της πίεσης στις φάσεις που υπάρχουν στο τριμερές σύστημα, αλλά μόνο την επίδραση της σύνθεσης.

Επομένως, ένα τριμερές διάγραμμα φάσης χρησιμοποιείται κυρίως για να προσδιοριστεί πώς συμπεριφέρεται ένα τριμερές σύστημα όταν η σχετική συγκέντρωση ενός από τα συστατικά ποικίλλει. Αυτό είναι χρήσιμο για τη μελέτη συστημάτων στα οποία αναμιγνύονται δύο διαλύματα με διαφορετικές διαλυμένες ουσίες, αφού ο διαλύτης και οι δύο διαλυμένες ουσίες θα υπάρχουν στο μείγμα, σχηματίζοντας έτσι ένα τριμερές σύστημα.

Μέρη ενός διαγράμματος φάσης

Τα ακόλουθα διαγράμματα χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τα μέρη ενός διαγράμματος φάσης για μια καθαρή ουσία και ένα δυαδικό σύστημα:

Οι άξονες του γραφήματος

Ανάλογα με τον τύπο του διαγράμματος φάσης, αυτά μπορεί να αντιπροσωπεύουν πίεση και θερμοκρασία (όπως στην περίπτωση του πρώτου διαγράμματος), μοριακό κλάσμα ενός συστατικού (όπως στην περίπτωση του δεύτερου) ή δύο συστατικών (όπως στην περίπτωση του τριμερή διαγράμματα). ).

Καμπύλες ισορροπίας φάσης

Είναι οι καμπύλες που χωρίζουν τη μια φάση από την άλλη σε ένα διάγραμμα φάσης. Οι καμπύλες AB, BC και BD στο παραπάνω διάγραμμα μιας καθαρής ουσίας είναι όλες παραδείγματα καμπυλών ισορροπίας φάσης, όπως και οι καμπύλες AB και AD στο δεύτερο διάγραμμα.

τριπλούς βαθμούς

Σε συστήματα καθαρών ουσιών, το τριπλό σημείο είναι αυτό στο οποίο συμπίπτουν πολλές καμπύλες ισορροπίας φάσεων, άρα υπάρχουν 3 φάσεις σε ταυτόχρονη ισορροπία. Αντιστοιχεί στο σημείο Β στο πρώτο διάγραμμα του προηγούμενου σχήματος.

Κρίσιμα σημεία

Αντιστοιχεί στο σημείο Δ στο πρώτο διάγραμμα. Δείχνει τη μέγιστη θερμοκρασία στην οποία μπορεί να υπάρχει μια καθαρή ουσία ως υγρό. Πάνω από αυτή τη θερμοκρασία, η ουσία είναι πάντα αέρια και σε υψηλότερες θερμοκρασίες και πιέσεις συμπεριφέρεται σαν ένα υπερκρίσιμο ρευστό.

ευτηκτικά σημεία

Αντιστοιχεί στο σημείο Α στο δυαδικό διάγραμμα της προηγούμενης εικόνας. Είναι το σημείο στο οποίο και οι δύο φάσεις λιώνουν μαζί πηγαίνοντας απευθείας από τη στερεή κατάσταση στην υγρή κατάσταση χωρίς καμία από τις δύο αρχικές στερεές φάσεις να παραμένει παρούσα. Αυτό το σημείο σηματοδοτεί τόσο την ευτηκτική θερμοκρασία τήξης όσο και την ευτηκτική σύνθεση για το εξεταζόμενο δυαδικό σύστημα.

Δεν σχηματίζουν όλα τα μείγματα ευτηκτικά μείγματα, αλλά πολλά, όπως τα κράματα, κάνουν.

βιβλιογραφικές αναφορές

Agudelo, AF, & Restrepo, ΕΕ (2005, 21 Ιανουαρίου). ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΚΑΙ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ . sciELO. http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532005000100002

Δυαδικό Διάγραμμα Φάσεων . (2014, 9 Απριλίου). Χημική Ζώνη. http://zona-quimica.blogspot.com/2014/04/diagrama-de-fases-binario.html

Lopez, JR (sf). Διαγράμματα φάσεων . Χούντα της Ανδαλουσίας. https://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/42/html/diagram.html

Μηχανική Υλικών. (2018, 20 Ιανουαρίου). Διάγραμμα Φάσεων: Έννοια και τύποι . Μηχανικές Σημειώσεις Ινδία. https://www.engineeringenotes.com/engineering/phase-diagram/phase-diagram-meaning-and-types-material-engineering/34506

Novelo-Torres, AM, & Gracia-Fabrique, J. (2010, 1 Οκτωβρίου). Τροχιές σε τριμερή διαγράμματα . Elsevier. https://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-trayectorias-diagramas-ternarios-S0187893X18300995