นิยามแผนภาพเฟส

แผนภาพเฟสเป็นการแสดงกราฟิกของสถานะต่างๆ ของสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ของระบบภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน กราฟประเภทนี้ช่วยให้เราสามารถทำนายเฟสต่างๆ ที่มีอยู่ในเงื่อนไขบางประการ ตลอดจนสัดส่วนที่พบแต่ละเฟสและองค์ประกอบของเฟสต่างๆ ในกรณีของสารผสมไบนารีหรือสารผสมที่ซับซ้อนกว่า

ประเภทของเฟสไดอะแกรม

แผนภาพเฟสส่วนประกอบเดียว (แผนภาพสารบริสุทธิ์)

แผนภาพเหล่านี้แสดงขั้นตอนหรือสถานะต่างๆ ของการรวมตัว ซึ่งสารบริสุทธิ์สามารถพบได้ที่อุณหภูมิและความดันต่างกัน ไดอะแกรมเฟสเหล่านี้อาจซับซ้อนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเฟสของแข็ง ซึ่ง สภาวะ อุณหภูมิ และความดันสามารถเอื้อต่อการ ก่อตัวของโครงสร้างผลึกต่างๆ ที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันอย่างชัดเจน

รูปร่างทั่วไปของไดอะแกรมเฟสสำหรับสารบริสุทธิ์แสดงไว้ด้านล่าง:

ตัวอย่างของแผนภาพเฟสทั่วไปของสารบริสุทธิ์สองตัวอย่าง ได้แก่ ธาตุคาร์บอนและฮีเลียม ซึ่งแสดงในรูปต่อไปนี้ คาร์บอน , อโลหะ , สามารถเกิดขึ้นได้ใน allotropes ของแข็งที่แตกต่างกัน (กราไฟต์และเพชร); นอกจากนี้ยังสามารถเกิดขึ้นได้ในสถานะของเหลวและก๊าซ ในกรณีของฮีเลียม นี่เป็นก๊าซที่ไม่สามารถทำให้เป็นของเหลวได้โดยง่าย

แผนภาพเฟสของระบบเลขฐานสอง (แผนภาพสององค์ประกอบ)

ไดอะแกรมเฟสไบนารีประกอบด้วยการแสดงกราฟิกของเฟสที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่างกันหรือที่ความดันต่างกันในระบบที่ประกอบด้วยสององค์ประกอบ (ระบบไบนารี) โดยเป็นฟังก์ชันขององค์ประกอบทั้งหมดของระบบ (โดยปกติจะแสดงบนแกน X) .

ระบบเหล่านี้สามารถก่อให้เกิดไดอะแกรมเฟสประเภทต่างๆ ขึ้นอยู่กับส่วนประกอบเฉพาะของส่วนผสม ในบางส่วนของแผนภาพเหล่านี้ เฟสที่แยกจากกันของส่วนประกอบบริสุทธิ์จะเกิดขึ้นในสถานะต่างๆ ของการรวมตัว (ของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ) ในขณะที่เฟสที่เป็นเนื้อเดียวกันของส่วนประกอบทั้งสองจะเกิดขึ้น

ไดอะแกรมสองเฟสแสดงไว้ด้านล่าง ระบบแรกเป็นตัวอย่างของระบบเลขฐานสองที่สร้างส่วนผสมยูเทคติก ในขณะที่ระบบหลังไม่มี

ไดอะแกรมเฟสของระบบไตรภาค (ไดอะแกรมของสามองค์ประกอบ)

ในไดอะแกรมเหล่านี้ จะใช้รูปสามเหลี่ยมเพื่อแสดงในแต่ละด้าน ส่วนประกอบของระบบเลขฐานสองสามระบบที่สามารถก่อตัวขึ้นได้ระหว่างองค์ประกอบสามส่วน จุดใดๆ ภายในสามเหลี่ยมแสดงถึงระบบที่ประกอบไปด้วยองค์ประกอบที่แน่นอน

ในกรณีเหล่านี้ ความเข้มข้นของแต่ละสปีชีส์ควรแสดงเป็นเศษส่วนโมลหรือเศษส่วนมวล (เพื่อให้แน่ใจว่าเศษส่วนทั้งหมดรวมกันเป็น 1) หรือเป็นเปอร์เซ็นต์ (เพื่อให้แน่ใจว่าความเข้มข้นทั้งหมดรวมกันได้ไม่เกิน 100%) ).

สำหรับแต่ละองค์ประกอบที่เป็นไปได้ของระบบ ที่อุณหภูมิและความดันคงที่ เฟสหรือเฟสที่มีอยู่จะแสดงขึ้น

การสร้างเฟสไดอะแกรม

กระบวนการสร้างเฟสไดอะแกรมสามารถดำเนินการได้ทั้งทางทฤษฎีหรือจากข้อมูลการทดลอง ในกรณีแรก สมการอุณหพลศาสตร์ใช้ในการคำนวณสถานะสมดุลของระบบ (ไม่ว่าจะเป็นสารบริสุทธิ์ สารผสมไบนารี หรือระบบไตรภาค) ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของระบบและองค์ประกอบของระบบ ยกเว้นระบบที่ค่อนข้างเรียบง่าย วิธีการนี้ค่อนข้างซับซ้อนและดำเนินการได้ยาก

จากมุมมองของการทดลอง ขั้นตอนที่ใช้ในการสร้างเฟสไดอะแกรมมักจะคล้ายกัน โดยไม่คำนึงถึงประเภทของเฟสไดอะแกรมที่เป็นปัญหา ในกรณีส่วนใหญ่ สิ่งที่ต้องการคือการเริ่มจากระบบในสถานะเริ่มต้นที่กำหนดไว้อย่างดีจากมุมมองขององค์ประกอบและคุณสมบัติอื่นๆ และสังเกตได้ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง (ด้วยตาเปล่าหรือผ่านเทคนิคเครื่องมือ) เฟสใดหรือเฟสใดที่มีอยู่ จากนั้นจึงค่อย ๆ เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติบางอย่างของระบบ ทำให้คุณสมบัติอื่น ๆ ทั้งหมดคงที่ โดยจดบันทึกการเปลี่ยนแปลงของสถานะและเงื่อนไขต่าง ๆ ที่อยู่ภายใต้การเปลี่ยนแปลงของสถานะนี้

การสร้างไดอะแกรมของสารบริสุทธิ์

ในกรณีของสารบริสุทธิ์ความดันมักจะถูกตั้งค่าและจากนั้นอุณหภูมิจะแปรผัน ซึ่งแสดงถึงจุดเปลี่ยนเฟสที่ความสูงของความดันที่สอดคล้องกันบนแผนภาพ จากนั้นความดันจะเปลี่ยนไปและทำซ้ำขั้นตอนนี้ การรวมกันของจุดที่เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสและจุดตัดระหว่างเส้นโค้งผลลัพธ์ทำให้สามารถสร้างแผนภาพเฟสได้ โดยบ่งชี้ในแต่ละพื้นที่ในแต่ละด้านของแต่ละเส้นโค้งว่ามีเฟสใดอยู่

การสร้างไดอะแกรมไบนารี

ในกรณีของระบบเลขฐานสอง โดยปกติแล้วระบบหนึ่งจะเริ่มต้นด้วยส่วนประกอบบริสุทธิ์สององค์ประกอบที่ความดันหรืออุณหภูมิที่กำหนด และเปลี่ยนตัวแปรอื่นๆ (อุณหภูมิหรือความดัน ตามลำดับ) โดยสังเกตอีกครั้งถึงอุณหภูมิหรือความดันที่เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟส จุดเหล่านี้แสดงบนแกนตั้ง อันที่อยู่ทางขวาแสดงถึงส่วนประกอบที่บริสุทธิ์อย่างใดอย่างหนึ่งและอีกอันที่อยู่ทางซ้าย

จากนั้น ส่วนผสมของส่วนประกอบทั้งสองจะถูกเตรียมด้วยความเข้มข้นที่กำหนดไว้ในรูปของโมลหรือเศษส่วนของมวล (หรือร้อยละ) สำหรับแต่ละองค์ประกอบ (เขียนจุดบนแกน x) ให้เปลี่ยนอุณหภูมิหรือความดันอีกครั้ง และสังเกตการเปลี่ยนแปลงของเฟสตามเดิม

การสร้างไดอะแกรมไตรภาค

ขั้นตอนสำหรับไดอะแกรม ternary มักจะซับซ้อนกว่าเล็กน้อย ในบางกรณี จุดมุ่งหมายคือการเตรียมส่วนผสมที่ขนานกับด้านใดด้านหนึ่งของแผนภาพ ในกรณีอื่นๆ จะทำในแนวตั้งฉากและในกรณีอื่นๆ จะทำในแนวทแยงมุม แต่ละทัวร์เหล่านี้มีวิธีการทดลองเฉพาะของตนเองเพื่อให้บรรลุผลสำเร็จ รวมถึงการผสมระบบเลขฐานสองคงที่กับจำนวนองค์ประกอบที่สามที่เพิ่มขึ้นและในทางกลับกัน เป็นต้น

เฟสไดอะแกรมใช้สำหรับอะไร

การประยุกต์ใช้เฟสไดอะแกรมขึ้นอยู่กับประเภทเฉพาะของเฟสไดอะแกรมที่เป็นปัญหา

ประโยชน์ของแผนภาพเฟสของสารบริสุทธิ์

ในกรณีของไดอะแกรมของสารบริสุทธิ์ ไดอะแกรมเฟสจะให้ข้อมูลที่ชัดเจนเกี่ยวกับเฟสที่ระบบจะเป็นฟังก์ชันของความดันและอุณหภูมิ ด้วยเหตุนี้ มันยังช่วยให้เราสามารถคาดการณ์การเปลี่ยนแปลงเฟสที่จะต้องเกิดขึ้นเมื่อเรานำระบบจากสถานะเริ่มต้นไปยังสถานะสุดท้ายผ่านเส้นทางต่างๆ

ในทางกลับกัน แผนภาพเฟสประเภทนี้ยังทำให้สามารถทำนายอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟส (หรือจุดเปลี่ยนเฟส) ของสารบริสุทธิ์ที่ความดันต่างๆ ได้ ตัวอย่างเช่น เราสามารถเห็นได้อย่างชัดเจนว่าการเปลี่ยนแปลงของจุดเดือดและจุดหลอมเหลวเป็นฟังก์ชันของความดันอย่างไร

ยูทิลิตี้ของไบนารีเฟสไดอะแกรม

ในกรณีของแผนภาพเฟสแบบไบนารี ข้อมูลเหล่านี้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับเฟสต่างๆ สัดส่วนและองค์ประกอบเมื่อเราแปรผัน ไม่ว่าจะเป็นอุณหภูมิที่รักษาความดันให้คงที่ หรือความดันที่รักษาอุณหภูมิให้คงที่ เนื่องจากเป็นไดอะแกรมสองมิติ โดยทั่วไปจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะสังเกตการเปลี่ยนแปลงของเฟส สัดส่วนที่แต่ละเฟสมีอยู่ และองค์ประกอบตามฟังก์ชันของอุณหภูมิและความดันพร้อมกัน อย่างไรก็ตาม การสร้างไดอะแกรมไบนารีเฟสเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิที่ความดันต่างกันสามารถให้ข้อมูลนี้กับเราทางอ้อมได้

แผนภาพเฟสของระบบเลขฐานสองช่วยให้เราสามารถศึกษาอันตรกิริยาระหว่างเฟสต่างๆ ที่สามารถก่อตัวขึ้นระหว่างสารเคมีสองชนิดที่แตกต่างกัน เฟสเหล่านี้อาจรวมถึงเฟสบริสุทธิ์ของส่วนประกอบทั้งสองในสถานะที่แตกต่างกัน (เช่น ของแข็งและของเหลว) หรือเฟสที่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งมีส่วนประกอบทั้งสอง (เช่น โลหะผสม สารละลาย ผลึกร่วม เป็นต้น)

จากที่กล่าวมาข้างต้น ไดอะแกรมไบนารีเฟสช่วยให้สามารถระบุระบบยูเทคติกได้ ซึ่งเป็นระบบไบนารีที่หลอมละลายที่อุณหภูมิเดียวและมีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าส่วนประกอบบริสุทธิ์ทั้งสองอย่างใดอย่างหนึ่ง นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถกำหนดอุณหภูมิหลอมเหลวของระบบนี้หรือที่เรียกว่าจุดยูเทคติกได้ สิ่งนี้มีความสำคัญมากในการใช้งานทางอุตสาหกรรมต่างๆ เนื่องจากช่วยให้สามารถระบุและออกแบบโลหะผสม ที่มีความแข็งแรงสูงและหลอมละลายต่ำ ได้ ซึ่งมีประโยชน์ เช่น ในการเชื่อม

ยูทิลิตี้ของแผนภาพสามเฟส

สุดท้าย ในไดอะแกรมของเฟสแบบไตรภาค ไดอะแกรมรูปสามเหลี่ยมถูกใช้เพื่อให้สามารถแสดงสัดส่วนของส่วนประกอบทั้งสามของส่วนผสมแบบไตรภาคได้พร้อมๆ กัน ณ จุดหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าในแผนภาพเหล่านี้ เราไม่สามารถสังเกตผลกระทบของอุณหภูมิและความดันที่มีต่อเฟสที่มีอยู่ในระบบไตรภาคได้ แต่จะสังเกตได้เฉพาะผลกระทบขององค์ประกอบเท่านั้น

ดังนั้น ส่วนใหญ่จะใช้แผนภาพเฟสแบบไตรภาคเพื่อกำหนดลักษณะการทำงานของระบบแบบไตรภาคเมื่อความเข้มข้นสัมพัทธ์ของส่วนประกอบใดส่วนประกอบหนึ่งแตกต่างกันไป สิ่งนี้มีประโยชน์สำหรับการศึกษาระบบที่ผสมสารละลายสองชนิดที่มีตัวถูกละลายต่างกัน เนื่องจากตัวทำละลายและตัวถูกละลายทั้งสองจะอยู่ในส่วนผสม จึงก่อให้เกิดระบบที่ประกอบไปด้วย ternary

ส่วนต่างๆ ของเฟสไดอะแกรม

ไดอะแกรมต่อไปนี้ใช้เพื่ออธิบายส่วนต่างๆ ของเฟสไดอะแกรมสำหรับสารบริสุทธิ์และระบบเลขฐานสอง:

แกนของกราฟ

ขึ้นอยู่กับชนิดของเฟสไดอะแกรม สิ่งเหล่านี้สามารถแสดงถึงความดันและอุณหภูมิ (เช่นในกรณีของแผนภาพแรก) เศษส่วนโมลของส่วนประกอบหนึ่ง (เช่นในกรณีของส่วนประกอบที่สอง) หรือของสองส่วนประกอบ (เช่นในกรณีของ แผนภาพไตรภาค) ).

เส้นโค้งสมดุลเฟส

เป็นเส้นโค้งที่แยกเฟสหนึ่งออกจากเฟสอื่นในเฟสไดอะแกรม เส้นโค้ง AB, BC และ BD ในแผนภาพด้านบนของสารบริสุทธิ์คือตัวอย่างทั้งหมดของเส้นโค้งสมดุลเฟส เช่นเดียวกับเส้นโค้ง AB และ AD ในแผนภาพที่สอง

สามจุด

ในระบบของสารบริสุทธิ์ จุดสามจุดเป็นจุดที่เส้นโค้งสมดุลเฟสหลายเฟสตรงกัน ดังนั้นจึงมีเฟส 3 เฟสในสภาวะสมดุลพร้อมกัน สอดคล้องกับจุด B ในแผนภาพแรกของตัวเลขก่อนหน้า

จุดวิกฤต

สอดคล้องกับจุด D ในไดอะแกรมแรก แสดงถึงอุณหภูมิสูงสุดที่สารบริสุทธิ์สามารถดำรงอยู่ได้ในรูปของของเหลว เหนืออุณหภูมินี้ สสารจะเป็นก๊าซเสมอ และที่อุณหภูมิและความดันสูงกว่า สสารจะมีพฤติกรรมเหมือนของไหลวิกฤตยิ่งยวด

จุดยูเทคติก

สอดคล้องกับจุด A ในแผนภาพไบนารีของภาพก่อนหน้า เป็นจุดที่ทั้งสองเฟสหลอมรวมกันโดยตรงจากสถานะของแข็งไปยังสถานะของเหลวโดยไม่มีเฟสของแข็งดั้งเดิมสองเฟสเหลืออยู่ จุดนี้บ่งชี้ทั้งอุณหภูมิหลอมเหลวยูเทคติกและองค์ประกอบยูเทคติกสำหรับระบบเลขฐานสองที่พิจารณา

ของผสมทั้งหมดไม่ได้ก่อตัวเป็นของผสมยูเทคติก แต่มีหลายอย่าง เช่น โลหะผสม

อ้างอิง

Agudelo, AF และ Restrepo, OJ (2548, 21 มกราคม) เทอร์โมไดนามิก ส์และแผนภาพเฟส วิทย์อีแอลโอ. http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532005000100002

แผนภาพเฟสไบนารี (2557, 9 เมษายน). โซนเคมี http://zona-quimica.blogspot.com/2014/04/diagrama-de-fases-binario.html

โลเปซ, เจอาร์ (sf). ไดอะแกรมเฟส Junta de อันดาลูเซีย https://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/42/html/diagram.html

วิศวกรรมวัสดุ. (2561, 20 มกราคม). แผนภาพเฟส: ความหมายและประเภท หมายเหตุวิศวกรรมอินเดีย https://www.engineeringenotes.com/engineering/phase-diagram/phase-diagram-meaning-and-types-material-engineering/34506

Novelo-Torres, AM, & Gracia-Fabrique, J. (2010, 1 ตุลาคม) เส้นทางโคจรในไดอะแกรมไตรภาค เอลส์เวียร์. https://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-trayectorias-diagramas-ternarios-S0187893X18300995