Tabla de Contenidos
A fázisdiagram egy rendszer különböző termodinamikai egyensúlyi állapotainak grafikus ábrázolása különböző körülmények között. Ez a fajta grafikon lehetővé teszi többek között, hogy előre jelezzük a bizonyos körülmények között jelen lévő fázisokat, valamint az egyes fázisok arányát és összetételét bináris keverékek vagy összetettebb keverékek esetén .
A fázisdiagramok típusai
Egykomponensű fázis diagramok (tiszta anyag diagramok)
Ezek a diagramok az aggregáció különböző fázisait vagy állapotait mutatják, amelyekben a tiszta anyag különböző hőmérsékleti és nyomásértékeken található. Ezek a fázisdiagramok nagyon bonyolulttá válhatnak, különösen a szilárd fázisban, ahol a hőmérsékleti és nyomási viszonyok több, egymástól jelentősen eltérő tulajdonságú kristályszerkezet kialakulását is elősegíthetik .
Az alábbiakban látható egy tiszta anyag fázisdiagramjának tipikus alakja:
A tiszta anyagok tipikus fázisdiagramjaira két példa az elemi szén és a hélium fázisdiagramja, amelyeket a következő ábra mutat be. A szén , egy nemfém , különböző szilárd allotrópokban (grafitban és gyémántban) fordulhat elő; Folyékony és gáz halmazállapotban is előfordulhat. A hélium esetében ez egy olyan gáz, amelyet nem lehet könnyen cseppfolyósítani.
Bináris rendszerek fázisdiagramjai (kétkomponensű diagramok)
A bináris fázisdiagramok a két komponensből álló rendszerben (bináris rendszer) különböző hőmérsékleteken vagy nyomásokon kialakuló fázisok grafikus ábrázolásából állnak, a rendszer teljes összetételének függvényében (általában az X tengelyen ábrázolva). .
A keverék adott összetevőitől függően ezek a rendszerek különböző típusú fázisdiagramokat eredményezhetnek. Ezen diagramok némelyikén a tiszta komponensek külön fázisai képződnek különböző halmazállapotban (szilárd, folyékony vagy gáz), míg más esetekben mindkét komponensből homogén fázisok képződnek.
Az alábbiakban két bináris fázisdiagram látható. Az előbbi egy eutektikus keveréket képző bináris rendszer példája , míg az utóbbi nem.
Háromkomponensű rendszerek fázisdiagramjai (három komponens diagramja)
Ezeken az ábrákon egy háromszöget használnak, amely mindkét oldalon ábrázolja mind a három bináris rendszer összetételét, amelyek három komponens között képezhetők. A háromszögön belüli bármely pont egy határozott összetételű hármas rendszert képvisel.
Ezekben az esetekben az egyes fajok koncentrációját kell megadni, vagy móltörtként vagy tömegtörtként (annak érdekében, hogy az összes frakció összege 1 legyen), vagy százalékban (annak érdekében, hogy a teljes koncentráció mindig elérje a 100%-ot). ).
A rendszer minden lehetséges összetételéhez rögzített hőmérsékleten és nyomáson a jelenlévő fázis vagy fázisok láthatók.
Fázisdiagram felépítése
A fázisdiagram felépítése megvalósítható elméletileg vagy kísérleti információkból. Az első esetben termodinamikai egyenletekkel számítják ki egy rendszer (legyen az tiszta anyag, kettős keverék vagy háromkomponensű rendszer) egyensúlyi állapotát a rendszer tulajdonságaitól és összetételétől függően. A viszonylag egyszerű rendszerek kivételével ez a megközelítés meglehetősen bonyolult és nehezen kivitelezhető.
Kísérleti szempontból a fázisdiagramok felépítéséhez használt eljárások általában hasonlóak, függetlenül a kérdéses fázisdiagram típusától. A legtöbb esetben arra törekednek, hogy az összetétele és egyéb tulajdonságai szempontjából jól meghatározott kezdeti állapotú rendszerből induljunk ki, és ezt valamilyen módon (szabad szemmel vagy műszeres technikákkal) megfigyeljük. melyik fázis vagy fázisok vannak jelen. Ezután fokozatosan változtassa meg a rendszer egyes tulajdonságait, az összes többi tulajdonságot állandó szinten tartva, figyelembe véve az állapotváltozásokat és azokat a feltételeket, amelyek között ez az állapotváltozás bekövetkezett.
Tiszta anyagok diagramjainak felépítése
Tiszta anyagok esetén általában nyomást állítanak be, majd változtatják a hőmérsékletet, ami a diagramon a megfelelő nyomás magasságában lévő fázisváltozási pontokat jelenti. Ezután a nyomás megváltozik, és a folyamat megismétlődik. A fázisváltozások bekövetkezésének pontjainak és a kapott görbék metszéspontjainak egyesítése lehetővé teszi a fázisdiagram felépítését, amely a görbék minden oldalán minden régióban jelzi, hogy melyik fázis van jelen.
Bináris diagramok felépítése
A bináris rendszerek esetében az egyik általában a két tiszta komponensből indul ki meghatározott nyomáson vagy hőmérsékleten, és változtatja a másik változót (hőmérséklet vagy nyomás), ismét megjegyezve azt a hőmérsékletet vagy nyomást, amelyen valamilyen fázisváltozás következik be. Ezek a pontok a függőleges tengelyeken vannak ábrázolva. A jobb oldali az egyik tiszta komponenst jelöli, a bal oldali pedig a másikat.
Ezután mindkét komponens keverékét készítjük el a mól- vagy tömeghányadban (vagy százalékban) meghatározott koncentrációkkal. Minden egyes kompozíciónál (az x-tengelyen ábrázolva) ismét változtassa meg a hőmérsékletet vagy a nyomást, és jegyezze fel a fázisváltozásokat, mint korábban.
Háromkomponensű diagramok felépítése
A hármas diagramok eljárása általában egy kicsit bonyolultabb. Egyes esetekben a diagram egyik oldalával párhuzamosan futó keverékek készítése a cél, más esetekben merőlegesen, más esetekben átlósan történik. Mindegyik túrának megvan a maga sajátos kísérleti módja, többek között egy rögzített bináris rendszer keverése növekvő mennyiségű harmadik komponenssel és fordítva.
Mire használják a fázisdiagramokat?
A fázisdiagramok alkalmazása az adott fázisdiagram típusától függ.
A tiszta anyagok fázisdiagramjainak hasznossága
A tiszta anyagok diagramjainál a fázisdiagram egyértelmű információt ad arról, hogy a nyomás és a hőmérséklet függvényében melyik fázisban lesz a rendszer. Ennek köszönhetően azt is lehetővé teszi, hogy előre jelezzük azokat a fázisváltozásokat, amelyeknek meg kell történniük, amikor egy rendszert egy kezdeti állapotból a végső állapotba viszünk különböző utakon.
Másrészt az ilyen típusú fázisdiagramok lehetővé teszik egy tiszta anyag fázisváltozási hőmérsékletének (vagy fázisváltozási pontjainak) előrejelzését különböző nyomásokon. Jól láthatjuk például, hogy a nyomás függvényében hogyan változik a forrás- és olvadáspont.
A bináris fázisdiagramok hasznossága
A bináris fázisdiagramok esetében ezek adnak információt a különböző fázisokról, azok arányáról és összetételükről, ha változtatjuk a nyomást állandó hőmérsékletet, vagy a hőmérsékletet állandóan tartó nyomást. Kétdimenziós diagramokról lévén szó, általában nem lehet egyszerre megfigyelni a fázisváltozásokat, az egyes fázisok arányát és összetételét a hőmérséklet és nyomás függvényében. A bináris fázisdiagramok felépítése a hőmérséklet függvényében különböző nyomásokon azonban közvetve szolgáltathatja ezt az információt.
A bináris rendszerek fázisdiagramjai lehetővé teszik, hogy tanulmányozzuk a különböző fázisok közötti kölcsönhatásokat, amelyek két különböző kémiai anyag között kialakulhatnak. Ezek a fázisok tartalmazhatnak mindkét komponens különböző halmazállapotú tiszta fázisait (például szilárd és folyékony halmazállapotú), vagy mindkét komponenst tartalmazó homogén fázisokat (például ötvözetek, oldatok, kokristályok stb.).
A fentieknek köszönhetően a bináris fázisdiagramok lehetővé teszik az eutektikus rendszerek azonosítását , amelyek olyan bináris rendszerek, amelyek egyetlen hőmérsékleten olvadnak, és amelyek olvadáspontja alacsonyabb, mint a két tiszta komponens bármelyikének olvadáspontja. Ezenkívül lehetővé teszik ennek a rendszernek az olvadáspontjának, az eutektikus pontnak a meghatározását. Ez nagyon fontos a különféle ipari alkalmazásokban, mivel lehetővé teszi a nagy szilárdságú, alacsony olvadáspontú fémötvözetek azonosítását és tervezését , amelyek hasznosak például a hegesztésben.
A háromfázisú diagramok hasznossága
Végül a háromfázisú diagramokban egy háromszögdiagramot használnak, hogy egy ponton egyidejűleg ábrázolhassuk, milyen arányban található a háromkomponensű keverék három komponense. Ez azt jelenti, hogy ezeken a diagramokon nem figyelhetjük meg a hőmérséklet és a nyomás hatását a háromkomponensű rendszerben jelenlévő fázis(ok)ra, hanem csak az összetétel hatását.
Ezért a háromfázisú diagramot főként annak meghatározására használják, hogy egy hármas rendszer hogyan viselkedik, ha az egyik komponens relatív koncentrációja változik. Ez hasznos olyan rendszerek tanulmányozásakor, amelyekben két különböző oldott anyagot tartalmazó oldat keveredik, mivel az oldószer és a két oldott anyag jelen lesz a keverékben, így egy hármas rendszert alkotnak.
A fázisdiagram részei
A következő diagramok egy tiszta anyag és egy bináris rendszer fázisdiagramjának részeit írják le:
A grafikon tengelyei
A fázisdiagram típusától függően ezek képviselhetik a nyomást és a hőmérsékletet (mint az első diagram esetében), egy komponens mólarányát (mint a második), vagy két komponensét (mint a hármas diagramok esetében). . ).
Fázisegyensúlyi görbék
Ezek azok a görbék, amelyek egy fázisdiagramon elválasztják az egyik fázist a másiktól. A tiszta anyag fenti diagramján látható AB, BC és BD görbék mind a fázisegyensúlyi görbék példái, akárcsak a második diagram AB és AD görbéi.
hármas pont
A tiszta anyagok rendszereiben a hármaspont az, amelyben több fázisegyensúlyi görbe egybeesik, tehát 3 fázis van egyidejűleg egyensúlyban. Ez megfelel az előző ábra első diagramjának B pontjának.
Kritikus pontok
Ez megfelel az első diagram D pontjának. Azt a maximális hőmérsékletet jelzi, amelyen a tiszta anyag folyadékként létezhet. E hőmérséklet felett az anyag mindig gáz halmazállapotú, és magasabb hőmérsékleten és nyomáson szuperkritikus folyadékként viselkedik.
eutektikus pontok
Az előző kép bináris diagramjában az A pontnak felel meg. Ez az a pont, ahol a két fázis összeolvad, a szilárd halmazállapotból közvetlenül a folyékony halmazállapotba megy át, miközben a két eredeti szilárd fázis egyike sem marad jelen. Ez a pont jelzi az eutektikus olvadáspontot és az eutektikus összetételt is a vizsgált kettős rendszerre.
Nem minden keverék képez eutektikus keveréket, de sok, például az ötvözetek igen.
Hivatkozások
Agudelo, AF és Restrepo, HL (2005, január 21.). TERMODINAMIKA ÉS FÁZISDIAGRAMOK . sciELO. http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532005000100002
Bináris fázisdiagram . (2014, április 9.). Kémiai zóna. http://zona-quimica.blogspot.com/2014/04/diagrama-de-fases-binario.html
Lopez, JR (sf). Fázis diagramok . Junta de Andalucía. https://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/42/html/diagram.html
Anyagmérnökség. (2018, január 20.). Fázisdiagram: Jelentés és típusok . Mérnöki megjegyzések India. https://www.engineeringenotes.com/engineering/phase-diagram/phase-diagram-meaning-and-types-material-engineering/34506
Novelo-Torres, AM és Gracia-Fabrique, J. (2010, október 1.). Trajektóriák hármas diagramokban . Elsevier. https://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-trayectorias-diagramas-ternarios-S0187893X18300995
