Изменение фазы
Фаза — это причудливый способ описания состояния вещества, в котором что-либо находится. Каждый день мы встречаем состояния или фазы: твердое тело, жидкость и газ. В твердых телах атомы и молекулы обладают меньшей энергией, чем жидкости, атомы и молекулы расположены ближе друг к другу, что обеспечивает определенную форму и размер. Молекулы жидкости содержат больше энергии, чем твердые тела, но меньше, чем газы, что придает им большую плавность движения. Обычно они принимают форму своих контейнеров, поскольку не имеют собственной определенной формы. Газы имеют больше энергии на молекулу или атом, чем жидкости. Они не имеют определенной формы, независимо от емкости.
Так что же такое фазовый переход?
Это процесс, в котором вещество приобретает или теряет энергию, в результате чего молекулы или атомы либо сближаются, либо отдаляются друг от друга.
Когда твердое тело набирает достаточно энергии, оно становится жидкостью. Когда жидкость набирает достаточно энергии, она становится газом. Когда газ теряет энергию, он становится жидкостью. Когда жидкость теряет энергию, она становится твердым телом. Бывают случаи, когда твердое вещество набирает столько энергии, что пропускает жидкую фазу и сразу переходит в газообразное состояние, и наоборот. Важно отметить, что фазовый переход — это физическое, а не химическое изменение. Вещество по-прежнему имеет те же химические характеристики.
Обобщенная фазовая диаграмма
Как видно на изображении выше, температура (тепло), а также давление определяют, в какой фазе — твердой, жидкой или газообразной — будет находиться вещество. Тройная точка — это точка, в которой чистое вещество становится твердым, жидкость и пар одновременно или точка, в которой все фазы будут сосуществовать. Каждое вещество будет иметь уникальную тройную точку. Критической точкой является конец фазовой кривой, где фазы становятся неотличимы друг от друга. Другими словами, граница между жидкостью и паром исчезает. Давление и температура достигают критического уровня. Вещество теперь представляет собой сверхкритическую жидкость.
Важность фазовой диаграммы заключается в том, что при некоторой практике фазу любого вещества можно предсказать с учетом определенного набора параметров. При температуре плавления и кипения вещества температура и давление не меняются, но меняется состояние вещества. Когда энергия добавляется к системе, она поглощается молекулами, а не самой системой, вызывая фазовый переход.
Одна фаза, которая не так распространена, как другие, — это плазма. Плазма чаще встречается у звезд, поскольку она перегрета, но также присутствует в молниях и неоновых вывесках. Это вещество, состоящее из положительных ионов и свободных электронов, оторванных от его атомов. Поскольку плазма отвечает за большую часть видимой Вселенной, ее свойства представляют большой интерес для ученых. Плазму можно создать, но в систему необходимо добавить огромное количество энергии.
Примеры фазового перехода
Твердые тела характеризуются, помимо прочего, своей определенной формой. Когда молекулы твердого тела увеличивают тепловую энергию или уменьшают давление, они переходят в жидкое состояние. Это соответственно называется сжижением или плавлением. Галлий — твердый металл при комнатной температуре. Когда его держат в ладони, тепловая энергия от человека передается атомам металлического галлия. Медленно, по мере продолжения переноса, твердый галлий плавится или превращается в жидкость серебристо-синего цвета.
Расплавленный галлий
Жидкости гораздо более текучие. Молекулы жидкости обладают большей энергией, чем молекулы твердого тела. Поскольку они поглощают больше энергии, молекулы движутся более энергично. Когда они достигают определенного уровня энергии, силы, удерживающие жидкость вместе, ослабевают, и молекулы переходят в газовую фазу. Это называется кипячением. При кипении жидкости выделяется пар или пар. Метанол – простейший спирт. Его температура кипения составляет 148,5 градусов по Фаренгейту. Это означает, что при нормальном давлении, когда молекулы обладают достаточной энергией, молекулярные силы преодолеваются, и жидкость превращается в пар, издавая отчетливый запах.
Двигаясь в противоположном направлении, газ охлаждается и образует жидкость, которая затем охлаждается дальше, превращаясь в твердое состояние. Когда газ охлаждается до жидкости, этот процесс называется конденсацией. Когда жидкость теряет энергию или набирает давление, она превращается в твердое состояние, это называется замерзанием. Любое вещество, твердое при комнатной температуре, технически уже заморожено, температура замерзания этого вещества где-то выше 22 по Цельсию (75 по Фаренгейту). Иногда изменение энергии настолько быстрое или настолько велико, что фазу можно пропустить. Отложение – это фазовый переход, когда газ превращается в твердое вещество, минуя жидкую фазу. Сублимация — это противоположное изменение, когда твердое тело превращается прямо в газ.
Фазовый переход осаждения
В промышленном процессе, называемом осаждением из паровой фазы химикатов горения, твердое покрытие испаряется, переносится на другую область и наносится на целевую поверхность, создавая сверхтонкое покрытие. Жидкая фаза вообще пропускается. Другим примером отложений является налет сажи на стенках дымохода. Когда огонь сжигает предметы, содержащие углерод, частицы газа оседают внутри дымохода в виде сажи. Внутри дымохода нет жидкого состояния, потому что он слишком горячий. Когда углеродный пар попадает на стенку дымохода, кирпич поглощает энергию газа и газовых фаз, превращая их в твердое тело.
Каменная стена, почерневшая от сажи
Фазовый переход конденсации
Противоположностью испарения является конденсация. Роса, образующаяся на траве холодным утром, является хорошим примером конденсации. Водяной пар из воздуха теряет энергию при контакте с более прохладной травой. Молекулы воды сближаются из-за этой потери энергии, и внутримолекулярные силы берут верх, создавая маленькие капли воды на открытой земле. Тот же процесс происходит с холодными банками из-под газировки и пивными бутылками. Конденсат также может возникнуть, когда грелку вносят в прохладный дом. Водяной пар, скопившийся внутри бутылки с водой, попадает на более холодный пластик, передавая свою энергию бутылке. Капли воды затем образуются на внутренней стороне бутылки.
Конденсат на стекле
Фазовый переход испарения
Испарение может происходить одним из двух способов. Во-первых, жидкость может закипать, выбрасывая молекулы с высокой скоростью, образуя пар в результате испарения. Другой способ называется просто испарением. Это происходит медленно, поскольку молекулы приближаются к поверхности с достаточной энергией и правильным направленным импульсом, они разрывают внутримолекулярные связи и поверхностное натяжение жидкости, ускользая в атмосферу. Если жидкость оставить открытой, в конечном итоге она «исчезнет». На самом деле со временем он медленно испарился, вся жидкость превратилась в газ. В бассейны постоянно требуется добавление воды из-за простого испарения. Белье сохнет на линии, а вода уходит в атмосферу.
Фазовый переход сублимации
Попробуйте этот эксперимент дома. Наполните формочки для кубиков льда и поместите их в морозильную камеру для замораживания. Через полгода проверьте, как у них дела. Кубики льда будут намного меньше тех, которые были изначально помещены в морозильную камеру. Это происходит из-за сублимации — процесса, при котором твердое состояние пропускает стадию жидкости и сразу переходит в газообразное состояние. Сухой лед тоже делает то же самое. Поскольку температура кипения углекислого газа настолько низка, когда его выносят при комнатной температуре, твердое вещество сублимируется, превращаясь в пары углекислого газа, вообще минуя жидкое состояние.
Сублимация сухого льда
Фазовый переход воды
Одним из наиболее важных веществ для устойчивости жизни является вода. В природе вода встречается в твердом состоянии (лед), жидкости (вода) и газе (водяной пар). Круговорот воды является важной частью каждой экосистемы. Вода собирается в океанах и озерах, где испаряется в водяной пар и уходит в атмосферу. Там он конденсируется на пыли, образуя облака. Вода также может проходить процесс осаждения, переходя из пара в твердое состояние, образуя перистые облака. Это тонкие тонкие облака высоко в атмосфере. Когда облака становятся слишком тяжелыми из-за капель воды, выпадают осадки, обычно в виде дождя или снега, в зависимости от температуры. Водяной пар также может конденсироваться на земле в виде росы, когда земля холоднее воздуха. Зимой в некоторых местах озера и реки замерзают, образуя слой льда над жидкой водой. Поскольку кристаллы льда менее плотны, чем жидкая вода, лед всплывает наверх, позволяя морской и пресноводной жизни продолжать существовать под замерзшей поверхностью. Когда погода становится теплее, вода тоже нагревается, растапливая лед. Весенний сток питает озера и реки на более низких высотах, вызывая их рост и обновление.
Простая схема круговорота воды
Краткие итоги урока
Фазовый переход происходит, когда энергия и давление добавляются или удаляются из системы. В природе чаще всего встречаются твердые фазы, жидкости и газ/пар.
- Испарение — это процесс перехода жидкости в пар, также называемый кипением. Это происходит при температуре кипения жидкости.
- Конденсация происходит, когда газ/пар теряет энергию или набирает давление, чтобы перейти в жидкое состояние.
- Сублимация происходит, когда газ образуется из твердого тела.
- Осаждение — это процесс, противоположный сублимации, когда газ переходит в твердое состояние.
- Замерзание — это процесс, при котором жидкость теряет энергию или приобретает достаточное давление, чтобы превратиться в твердое состояние.
- Плавление происходит, когда твердое тело набирает энергию или теряет давление, чтобы стать жидким.
Иногда давление и энергия системы настолько велики, что образуется сверхкритическая жидкость. Когда граница между жидкостью и паром исчезает, они становятся неразличимы. Эта точка называется критической точкой. Еще одна важная точка на фазовой диаграмме — тройная точка . Когда система достигает определенной температуры и давления, все три фазы могут сосуществовать вместе.
