Фазовые диаграммы

Фазовая диаграмма объединяет графики зависимости давления от температуры для равновесия фазового перехода жидкость-газ, твердое тело-жидкость и твердое тело-газ в веществе. Эти диаграммы показывают физические состояния, которые существуют в определенных условиях давления и температуры, а также показывают зависимость от давления температур фазовых переходов (точки плавления, точки сублимации, точки кипения). Области или области, помеченные как твердое, жидкое и газовое, представляют собой отдельные фазы, а линии или кривые представляют две фазы, сосуществующие в равновесии (или точки фазового перехода). Тройная точка указывает условия давления и температуры, при которых сосуществуют все три фазы. Напротив, критическая точка указывает температуру и давление, выше которых существует одна фаза ", чьи физические свойства являются промежуточными между газообразным и жидким состояниями".

Рисунок 1 . Типовая фазовая диаграмма.

Фазовая диаграмма определяет физическое состояние вещества при определенных условиях давления и температуры. Чтобы проиллюстрировать полезность этих графиков, рассмотрим фазовую диаграмму воды, показанную ниже .

Рисунок 2. Фазовая диаграмма воды.

Давление 50 кПа и температура -10°C соответствуют области диаграммы с надписью “ICE”. В этих условиях вода существует только как твердое тело. Давление 50 кПа и температура 50 °C соответствуют региону, где вода существует только как жидкость. При 25 кПа и 200 °C вода присутствует только в газообразном состоянии. Кривая BC представляет собой кривую жидкость-пар, разделяющую жидкие и газообразные области фазовой диаграммы и предоставляющую точку кипения воды при любом давлении. Например, при 1 атм температура кипения составляет 100 °C. Обратите внимание, что кривая паров жидкости заканчивается при температуре 374 °C и давлении 218 атм, что указывает на то, что вода не может существовать в качестве жидкости выше этой температуры, независимо от давления. Физические свойства воды в этих условиях являются промежуточными между ее жидкими и газообразными фазами. Это уникальное состояние вещества называется сверхкритической жидкостью. Кривая твердых паров с маркировкой AB показывает температуру и давление, при которых пары льда и воды находятся в равновесии. Эти пары данных о температуре-давлении соответствуют точкам сублимации или осаждения для воды.

Кривая твердого тела с меткой BD показывает температуру и давление, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии, что соответствует точкам плавления/замерзания воды. Обратите внимание, что эта кривая имеет небольшой отрицательный уклон, что указывает на то, что температура плавления воды немного снижается по мере увеличения давления. Вода является необычным веществом в этом отношении, так как большинство веществ демонстрируют увеличение температуры плавления с увеличением давления. Точка пересечения всех трех кривых с меткой B — это тройная точка воды, где все три фазы сосуществуют в равновесии. При давлении ниже тройной точки вода не может существовать как жидкость, независимо от температуры.

В качестве другого примера рассмотрим фазовую диаграмму для углекислого газа.

Рисунок 3. Фазовая диаграмма углекислого газа.

Кривая твердого тела показывает положительный уклон, что указывает на то, что температура плавления CO₂ увеличивается с давлением, как и для большинства веществ. Обратите внимание, что тройная точка значительно выше 1 атм, что указывает на то, что углекислый газ не может существовать в качестве жидкости при атмосферном давлении. Вместо этого охлаждение газообразного углекислого газа при 1 атм приводит к его отложению в твердое состояние. Кроме того, твердый углекислый газ не растапливает при давлении 1 атм, а вместо этого сублимируется, чтобы дать газообразный CO₂. Наконец, критическая точка для углекислого газа наблюдается при относительно умеренной температуре и давлении по сравнению с водой.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 10.4: Фазовые диаграммы.

Двуокись углерода может существовать в твердом, жидком или газообразном состоянии при определенных температурах и давлениях. Эта зависимость отображена на фазовой диаграмме, которая включает три основных элемента:области, линии и точки. Области представляют условия температуры и давления для одной фазы.

При стандартном давлении диоксид углерода может быть твердым или газообразным, в зависимости от температуры. При давлении ниже 5, 1 атмосферы, если температура твердого диоксида углерода повышается, он непосредственно переходит в газообразную фазу, минуя жидкую фазу. Переход через все три фазы из твердой фазы в жидкость и из жидкости в газ произойдет при давлении выше 5, 1 атмосферы.

Линии или кривые, разделяющие области, обозначают температуры и давления, при которых фазы по обе стороны от кривой находятся в равновесии. Например, точка при 1 атмосферы и минус 78, 5 градуса Цельсия лежит на кривой, разделяющей твердую и паровую фазы, поэтому в этих условиях существует равновесие твердое тело пар. Соответственно, она называется кривой сублимации.

Точно так же равновесие жидкость-газ существует на кривой испарения, а равновесие твердое тело-жидкость существует на кривой плавления. Эти кривые обычно называют фазовыми границами. При 5, 1 атмосферы и минус 56, 6 градуса Цельсия все три фазы будут сосуществовать.

Это тройная точка углекислого газа. При 73 атмосферах и 31 градусе Цельсия жидкая и паровая фазы диоксида углерода объединятся в однофазную сверхкритическую жидкость. Это критическая точка углекислого газа.

В области за пределами критической точки никакое изменение давления или температуры не может преобразовать сверхкритическую жидкость в газ или жидкость. Фазовая диаграмма воды имеет несколько заметных отличий от фазовой диаграммы диоксида углерода. Кривая плавления диоксида углерода имеет положительный наклон, а для воды наклон отрицательный.

Это нетипичная особенность воды. Повышение давления способствует переходу из жидкого состояния в твердое в диоксиде углерода, а в воде из твердого в жидкое. Более высокое давление способствует образованию более плотной твердой формы диоксида углерода.

В случае воды предпочтение отдается более плотной жидкой форме.