Diagrama stării de fază vă permite să determinați. Regula fazelor, construirea diagramelor de stare. Tipuri de diagrame de fază
Figura 3.3 prezintă diagrama de fază în coordonate P-V, iar în Figura 3.4 - în coordonate T-S.
Fig.3.3. Diagrama fazei P-V Fig.3.4. Diagrama fazei T-S
Notaţie:
m + w este aria de coexistență a echilibrului solid și lichid
m + p este aria de coexistență de echilibru a solidului și a vaporilor
l + p este aria de echilibru a coexistenței lichidului și vaporilor
Dacă pe diagrama P - T zonele stărilor bifazate au fost reprezentate prin curbe, atunci diagramele P - V și T - S sunt niște zone.
Linia AKF se numește curbă de frontieră. Ea, la rândul său, este împărțită într-o curbă limită inferioară (secțiunea AK) și o curbă limită superioară (secțiunea KF).
În figurile 3.3 și 3.4, linia BF, unde se întâlnesc regiunile a trei stări cu două faze, este punctul triplu întins T din figurile 3.1 și 3.2.
Când o substanță se topește, care, ca și vaporizarea, se desfășoară la o temperatură constantă, se formează un amestec de echilibru în două faze de faze solide și lichide. Valorile volumului specific al fazei lichide din compoziția amestecului bifazic sunt luate în Fig. 3.3 cu curba AN, iar valorile volumului specific al fazei solide sunt luate cu BE curba.
În interiorul regiunii delimitate de conturul AKF, substanța este un amestec de două faze: lichid de fierbere (L) și abur saturat uscat (P).
Datorită aditivității în volum, volumul specific al unui astfel de amestec în două faze este determinat de formulă
entropia specifica:
Puncte singulare ale diagramelor de fază
punct triplu
Punctul triplu este punctul în care converg curbele de echilibru ale celor trei faze. În figurile 3.1 și 3.2, acesta este punctul T.
Unele substanțe pure, de exemplu, sulful, carbonul etc., au mai multe faze (modificări) în stare solidă de agregare.
Nu există modificări în starea lichidă și gazoasă.
În conformitate cu ecuația (1.3), nu mai mult de trei faze pot fi simultan în echilibru într-un sistem de deformare termică cu o singură componentă.
Dacă o substanță în stare solidă are mai multe modificări, atunci numărul total de faze ale substanței în total depășește trei, iar o astfel de substanță trebuie să aibă mai multe puncte triple. Ca exemplu, Fig. 3.5 prezintă diagrama de fază P-T a unei substanțe care are două modificări în starea solidă de agregare.
Fig.3.5. Diagrama fazei P-T
substanţe cu două cristaline
care faze
Notaţie:
I - fază lichidă;
II - faza gazoasa;
III 1 și III 2 - modificări în starea solidă de agregare
(faze cristaline)
La punctul triplu T 1 sunt în echilibru: fazele gazoase, lichide și cristaline III 2. Acest punct este de bază punct triplu.
În punctul triplu T 2 în echilibru se află: faze lichide și două cristaline.
În punctul triplu T 3, faza gazoasă și cele două faze cristaline sunt în echilibru.
Apa are cinci modificări cristaline (faze): III 1, III 2, III 3, III 5, III 6.
Gheața obișnuită este o fază cristalină III 1, iar modificările rămase se formează la presiuni foarte mari, în valoare de mii de MPa.
Gheața obișnuită există până la o presiune de 204,7 MPa și o temperatură de 22 0 C.
Modificările rămase (fazele) sunt gheața mai densă decât apa. Una dintre aceste gheață - „gheață fierbinte” a fost observată la o presiune de 2000 MPa până la o temperatură de + 80 0 C.
Parametrii termodinamici de bază apă cu punct triplu următoarele:
T tr \u003d 273,16 K \u003d 0,01 0 C;
P tr \u003d 610,8 Pa;
V tr \u003d 0,001 m 3 / kg.
anomalie curba de topire ( 
) există numai pentru gheața obișnuită.
Orez. 2.3. Diagrama de stare a unui gaz multicomponent.
Spre deosebire de substanta pura pentru sistemele cu mai multe componente, o modificare a volumului într-o regiune bifazată este însoțită de o modificare a presiunii (Fig. 2.3, o). Pentru evaporarea completă a lichidului, este necesară scăderea continuă a presiunii și, dimpotrivă, pentru condensarea completă a gazului, este necesară creșterea continuă a presiunii. Prin urmare, presiunea punctului de pornire a vaporizării pentru un sistem multicomponent este mai mare decât presiunea punctului de început de condensare, iar atunci când diagrama de fază este reconstruită în coordonate
curbele presiune - temperatură ale începerii evaporării și punctele de rouă nu se potrivesc. Față de diagrama de fază a unei substanțe pure, diagrama din aceste coordonate are forma unei bucle (Fig. 2.3.6). Curba punctelor de început de vaporizare, care este granița care separă regiunile stărilor lichide și bifazate ale unei substanțe, și curba punctelor de rouă, care separă regiunea în două faze de regiunea de vaporizare, sunt conectat la punctul critic C. În acest caz, punctul critic nu este un punct de presiune și temperatură maximă, în care pot exista ambele două faze, ci, ca și în cazul unei substanțe pure, în punctul critic, densitatea și compoziția fazelor este aceeași.
Pentru un sistem multicomponent, ideea M cu temperatura maximă la care este posibilă o stare bifazată se numește crikondenterma, un punct N s presiune adecvată - krikondenbara.Între aceste puncte și punctul critic, există două regiuni în care comportamentul amestecului diferă de cel al substanței pure. Sub compresie izotermă, de exemplu, la o temperatură T, de-a lungul liniei EA, amestec după trecerea la un punct E Liniile punctului de rouă se condensează parțial și intră într-o stare în două faze. Odată cu o creștere suplimentară a presiunii, fracția din faza lichidă crește, dar numai pentru o anumită presiune corespunzătoare punctului D. Creșterea ulterioară a presiunii din punct D până la punctul ÎN duce la o scădere a proporției fazei lichide, iar apoi amestecul trece din nou în stare de vapori. Presiunea punctuală D, la care se formează cantitatea maximă de fază lichidă se numește presiunea de condensare maximă.
Fenomene similare se observă și în timpul încălzirii izobare a unui lichid de-a lungul liniei LNGB. Inițial, amestecul este într-o stare lichidă monofazată. După trecerea liniei punctelor de început de vaporizare în punctul Lîn amestec apare o fază de vapori, a cărei cantitate crește până la punctul N. O creștere ulterioară a temperaturii duce la o scădere a volumului fazei de vapori până când substanța revine la starea lichidă în punctul G.
Regiunile în care condensarea și evaporarea au loc în direcția opusă transformărilor de fază ale unei substanțe pure se numesc regiuni retrograde (sunt umbrite în fig. 2.3.6). Fenomenele care apar în aceste zone se numesc evaporare retrogradă (inversă) și condensare retrogradă (inversă). Aceste fenomene sunt utilizate pe scară largă în procesele de tratare a gazelor în câmp pentru a selecta condițiile în care este asigurată separarea maximă a condensului de gaz.
Forma în formă de buclă a diagramei de fază (Fig. 2.3, b) caracteristic pentru toate amestecurile multicomponente, dar forma buclei, poziția punctului critic și a regiunilor retrograde depind de compoziția amestecului. Dacă compoziția amestecului de rezervor este astfel încât cricondenterma este situată în stânga izotermei corespunzătoare temperaturii rezervorului (linii ft]), apoi pe măsură ce presiunea scade în timpul dezvoltării câmpului, acest amestec va fi doar în stare gazoasă monofazică. Amestecurile de hidrocarburi din această compoziție formează câmpuri de gaze. Dacă compoziția amestecului este astfel încât temperatura de formare se situează între temperatura critică și temperatura cricondentermului (linia AT^), atunci astfel de amestecuri de hidrocarburi formează câmpuri de condensat gazos. În procesul de reducere a presiunii la temperatura rezervorului, o fază lichidă - condens - va fi eliberată din ele.
Pentru câmpurile petroliere, punctul critic este situat în dreapta izotermei temperaturii formațiunii (linia GTi). Dacă punctul G cu coordonatele corespunzătoare presiunii inițiale a rezervorului și temperaturii rezervorului este situat deasupra liniei de pornire a vaporizării, atunci uleiul este într-o stare lichidă monofazată și este subsaturat cu gaz. Numai când presiunea scade sub presiunea de saturație (punctul D) faza gazoasă începe să se separe de petrol Câmpurile de petrol, a căror compoziție a amestecului de hidrocarburi este astfel încât presiunea inițială a rezervorului (punctul K) este sub presiunea de saturație, au un capac de gaz, care este o fază gazoasă acumulată în partea superioară a rezervorul.
) — reprezentarea grafică a stărilor unui sistem termodinamic în spaţiul parametrilor principali de stare - temperatura T, presiune pși compoziție X.
Descriere
Diagramele de fază fac posibilă aflarea ce faze (adică subsisteme omogene care diferă ca structură și/sau proprietăți de altele) pot fi prezente într-un sistem dat în condiții și compoziție date. Pentru sisteme complexe, constând din mai multe faze și componente, construirea diagramelor de fază din date experimentale și date de modelare termodinamică este cea mai importantă modalitate de a prezice comportamentul în cursul diferitelor procese. O analiză a poziției relative a câmpurilor, a suprafețelor și liniilor care le separă, precum și a punctelor de joncțiune ale acestora din urmă, face posibilă determinarea fără ambiguitate și claritate a condițiilor pentru echilibrele de fază, apariția de noi faze și compuși chimici în sistemul, formarea și descompunerea soluțiilor lichide și solide etc.
Diagramele de stare sunt utilizate în știința materialelor, metalurgie, rafinarea petrolului, tehnologia chimică (în special, în dezvoltarea metodelor de separare a substanțelor), producția de echipamente electronice și microelectronice etc. Sunt utilizate pentru a selecta condițiile pentru sinteza industrială. de substanțe, determinați direcția proceselor asociate cu tranziții de fază, efectuați alegerea modurilor de tratament termic, căutați compozițiile optime ale fazelor etc.
Diagramele de fază ale sistemelor monocomponente sunt reprezentate pe un plan în coordonate p–T. Acestea conțin câmpuri corespunzătoare existenței uneia sau alteia faze a substanței (gazoase, lichide, diverse modificări solide), separate prin linii de echilibru de fază, de-a lungul cărora este posibilă coexistența fazelor adiacente. Locurile în care converg trei linii diferite de echilibru de fază formează așa-numitele puncte triple, în care pot coexista trei faze. Acesta este numărul maxim de faze care pot coexista în echilibru în sistemele cu o singură componentă.
Numărul de faze prezente la un punct dat în diagrama de fază este determinat de regula fazelor Gibbs și este n + 2 – f, Unde n- numărul de componente, adică acele substanțe, a căror cantitate din sistem se poate modifica independent de celelalte, numărul 2 corespunde presiunii și temperaturii (astfel, n+ 2 este numărul de parametri care specifică starea sistemului și f- numărul de grade de libertate, adică numărul acelor forțe generalizate (presiune, temperatură, potențiale chimice ale componentelor) care pot fi variate independent în anumite limite fără modificarea compoziției fazei de echilibru.
De exemplu, în câmpurile unei diagrame de fază cu o singură componentă, unde există o singură fază, presiunea și temperatura pot fi variate independent, iar punctul triplu este așa-numitul punct de echilibru invariant.
În plus, diagrama de fază a unui sistem monocomponent poate descrie faze metastabile, adică faze care nu sunt echilibrate, dar capabile să existe într-un anumit interval de parametri pentru o perioadă lungă de timp datorită stabilității cinetice, precum și a unui punct critic. - un punct pe linia de echilibru lichid-gaz, după care dispare diferența bruscă a proprietăților acestor faze, iar conceptul de tranziție de fază își pierde sensul.
Pe lângă temperatură și presiune, alți parametri ai stării sistemului pot fi luați în considerare, de exemplu, tensiunea camp magnetic (H). Apoi diagrama de fază devine multidimensională și se iau în considerare, de exemplu, diferitele sale secțiuni H–T, iar în regula fazelor, numărul 2 se schimbă în numărul corespunzător de forțe (câmpuri) generalizate.
Diagramele de fază ale sistemelor multicomponente sunt, de asemenea, multidimensionale. Este convenabil să se studieze secțiunile lor plane, cum ar fi compoziția temperaturii și compoziția presiunii. Pentru secțiunile izobaric-izoterme ale diagramelor de fază ale sistemelor cu trei componente, care descriu dependența compoziției de fază a sistemului numai de compoziția sa componentelor, se folosesc așa-numitele triunghiuri Gibbs.
Discutat mai sus Dispoziții generale sunt aplicabile și diagramelor de fază multicomponente. Un exemplu de izobar ( T–x) a secțiunilor transversale ale diagramei de fază cu două componente este prezentată în fig. Câmpurile unor astfel de diagrame pot corespunde uneia sau două faze coexistente, inclusiv topirea componentelor, fazele solide ale componentelor pure sau compușii acestora cu compoziție intermediară, fazele soluțiilor solide.
Raportul de fază în câmp corespunzător celor două faze este determinat conform regulii pârghiei - este invers proporțional cu raportul dintre distanțe orizontale și liniile de echilibru de fază care limitează câmpul și coordonatele intersecției orizontalei cu aceste linii. determina compozitia componentelor fazelor coexistente.
Printre elementele importante T–x trebuie menționate secțiunile transversale ale diagramelor cu două componente, linia liquidus, deasupra căreia este prezentă doar faza lichidă; linia solidus, sub care este prezentă doar faza solidă, puncte eutectice (puncte de topire congruentă), comune solidus și liquidus (la ruperea acestuia din urmă) și puncte peritectice (puncte de topire incongruentă, adică topire cu descompunere parțială). a fazei solide) pe curba liquidus, în care pot coexista o fază lichidă și două faze solide, precum și liniile orizontale corespunzătoare de transformări eutectice și peritectice.
Pentru fazele formate din particule nanodimensionate, poate exista o dependență proprietăți fizice dimensiune, astfel încât diagrama de fază este uneori umplută cu o scară de dispersie.
Ilustrații
Autorii
- Goldt Ilya Valerievici
- Ioffe Ilya Naftolievici
Surse
- Anosov V. Ya., Pogodin S. A. Principii de bază ale analizei fizice și chimice. - M.–L.: Editura Academiei de Științe a URSS, 1947. - 876 p.
- Enciclopedie chimică. - M.: Enciclopedia Sovietică, 1988.
Analiza diagramelor de fază
Liniile cu două faze, de regulă, fie conectează două puncte triple, fie un punct triplu cu un punct pe axa y corespunzător presiunii zero. Excepție este linia lichid-gaz, care se termină în punctul critic. Peste temperatura critică, diferența dintre lichid și vapori dispare.
Secțiuni și proiecții de diagrame ale sistemelor binare
diagrame temperatură-compoziție
Diagramele sistemelor binare
Solubilitate nelimitată în stare solidă
Transformări eutectice și eutectoide
Aliaje care formează compuși chimici
Fundația Wikimedia. 2010 .
Vedeți ce este „Diagrama de fază” în alte dicționare:
- (Vezi DIAGRAMA DE STARE). Dicţionar enciclopedic fizic. Moscova: Enciclopedia Sovietică. Redactor-șef A. M. Prokhorov. 1983. DIAGRAMA DE FAZE ... Enciclopedia fizică
La fel ca diagrama de stare... Mare Dicţionar enciclopedic
diagramă de fază- Diagrama termodinamică, în care sunt trasate presiunea și temperatura de-a lungul axelor de coordonate și sunt trasate curbele de echilibru de fază. [Culegere de termeni recomandați. Problema 103. Termodinamică. Academia de Științe a URSS. Comitetul științific și tehnic ...... Manualul Traducătorului Tehnic
DIAGRAMĂ DE FAZĂ, o reprezentare grafică a condițiilor în care există diverse FAZE de echilibru ale unei substanțe. De exemplu, curba PUNCTUL DE TOPIRE versus PRESIUNE pentru un solid pur împarte diagrama în două părți. Puncte într-unul ...... Dicționar enciclopedic științific și tehnic
diagramă de fază- fazių pusiausvyros diagrama statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminės sistemos fazių pusiausvyros grafinis vaizdas. atitikmenys: engl. echilibrul diagramei de fază; diagrama de fază termodinamică vok.… …
diagramă de fază- Diagrama de fază Diagrama de fază (diagrama de stări) Reprezentarea grafică a relației dintre parametrii de stare ai unui sistem de echilibru termodinamic (temperatură, presiune, compoziție etc.). Diagrama de fază vă permite să determinați ...... Explicativ Dicționar englez-rus pe nanotehnologie. - M.
Diagrama de fază Diagrama de fază. Reprezentare grafică a temperaturilor critice și a limitelor de fază dintr-un aliaj sau un sistem ceramic care există atunci când este încălzit sau răcit. Diagrama de fază poate fi o diagramă de echilibru ...... Glosar de termeni metalurgici
La fel ca diagrama de stare. * * * DIAGRAMA DE FAZE DIAGRAMA DE FAZĂ, la fel ca diagrama de stare (vezi DIAGRAMA DE STARE) … Dicţionar enciclopedic
Termenul diagramă de fază Termenul în engleză diagramă de fază Sinonime diagramă de stări Abrevieri Termeni înrudiți temperatura de micelizare critică, descompunere spinodale Definiție reprezentarea grafică a stărilor ... ... Dicţionar enciclopedic de nanotehnologie
diagramă de fază- fazių diagrama statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Daugiafazės termodinaminės sistemos būsenų diagrama. atitikmenys: engl. diagrama de fază vok. Gleichgewichtsdiagramm, n; phasediagramm, n; Zustandsdiagramm, n;… … Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas
Cărți
- Fizica și chimia carburilor de tungsten, Alexander Ivanovich Gusev. Monografia prezintă starea actuală cercetare fundamentală carburi de tungsten utilizate pe scară largă în inginerie. O analiză de simetrie a transformărilor dezordine-ordine și...
Sisteme cu o singură componentă. Un sistem cu o singură componentă este orice materie sau substanță chimică simplă. Comm., care are o compoziție strict definită în stare gazoasă, lichidă și solidă. Diagramele de stare sunt de obicei construite pe un plan în Coordonatele T-r(Fig. 1). Câmpurile de fază (regiuni de existență) ale vaporilor V, lichidului L și fazei solide S sunt divariante, adică. permite modificarea simultană a doi parametri de stare - T și p.
Orez. 1 Diagrama de stare a unui sistem monocomponent. S, L și V - resp. zonele de existență a fazelor solide, lichide și de vapori; 1, 2 și 3 curbe de fierbere (evaporare), topire și respectiv sublimare (sublimare), K critică. punct; Un punct triplu.
De obicei, cu o creștere a t-ry, solubilitatea reciprocă a lichidelor crește, prin urmare, în ceea ce privește proprietățile lor, ambele soluții saturate, ale căror compoziții se modifică de-a lungul segmentelor binodale EK și KF, se apropie reciproc. În sfârșit, la m-re T la diferența dintre ele dispare; acest t-ra se numeste. t-solubilitate critică (amestecare), deasupra acesteia poate exista o singură fază lichidă. Majoritatea sistemelor cu stratificare a șanțului p sunt caracterizate doar de un singur critic. t-swarm r-compliance, cel mai adesea superioară, adică pe diagrama de stare, au un binodal care nu este închis de jos. Dacă astfel de sisteme nu formează chem. comp., regiunea de coexistență a două faze lichide este limitată de sub curba de cristalizare a uneia dintre componente la temperatura de transformare a fazei lichide 1 D faza lichida 2 + faza solida. Un astfel de echilibru trifazat se numește. monotectic; este în termodinamica sa. natura este asemănătoare cu eutectic sau eutectoid. Într-un echilibru sintetic trifazat, două faze lichide interacționează pentru a forma un compus solid. Acest echilibru este similar cu cel peritectic.
În unele sisteme, binodalul are forma unei curbe închise (oval), adică sistemul are două puncte de amestec, superior și inferior.
Diagrama echilibrului lichid-vapori. Când p = const, fiecare compoziție a amestecului lichid îi corespunde anumită temperatură echilibru cu aburul și o anumită compoziție a aburului, care, de regulă, diferă de compoziția amestecului lichid. Pe diagrama de stare (Fig. 8, a), curbele de fierbere și condensare descriu dependențele temperatura de pornire fierbere și condensare din compoziție și separă câmpurile lichide L și vapori V de câmpul eterogen (L + V). stări lichid-vapori. Pe curba de fierbere, m. extremum: maxim (Fig. 8, b) sau minim (Fig. 8, c); în aceste puncte, curba de fierbere atinge curba de condensare, adică compozițiile lichidului de echilibru și vaporilor coincid.Amestecurile lichide din această compoziție fierb complet, ca și lichidele pure, la o temperatură constantă fără a modifica compoziția (vezi amestecuri azeotrope) . Diagramele de stare care descriu echilibrul soluțiilor solide bicomponente cu soluții lichide și soluțiilor lichide cu abur sunt similare.
Orez. 8. Diagrame de stare, sisteme binare, care descriu echilibrul lichid - vapori. L și V sunt regiunile de existență a lichidului și respectiv a vaporilor.(L + V) regiunea de coexistență a fazelor lichide și vaporilor; un sistem fără punct azeotrop; b și c două tipuri de amestecuri azeotrope
sisteme triple. Stările sistemelor ternare sunt determinate în mod unic de patru parametri independenți: T, p și fracțiile molare (masă) a două componente (fracția din a treia componentă este determinată din condiția ca suma fracțiilor tuturor componentelor să fie egală cu unu). Prin urmare, atunci când se construiesc diagrame de fază pentru sisteme ternare, unul dintre parametrii independenți (p sau T) sau doi (p și T) este fix și se iau în considerare parametrii izobari sau izotermici spațiali. diagrame sau plat izobaric-izotermic. diagrame corespunzătoare uneia dintre secțiunile diagramei stărilor spațiale. Fiecare compoziție a amestecului ternar corespunde unui anumit punct din planul compoziției. Regiunea compozițiilor posibile ale sistemelor ternare se numește. triunghi de compoziție sau triunghi de compoziție. În sistemul de coordonate dreptunghiulare, este un triunghi isoscel dreptunghic, ale cărui vârfuri corespund componentelor A, B și C, iar laturile amestecurilor duble AB, BC și CA. Utilizarea compozițiilor echilaterale este mai frecventă. triunghi. În acest caz, toate componentele sunt egale și oricare dintre vârfurile sale poate fi luat drept origine cu același motiv (vezi Sisteme cu mai multe componente). Pentru a construi spații. izobar sau izotermic diagrame de stare de-a lungul axei de coordonate perpendiculare pe compoziții. triunghi, pus deoparte conform. T sau R. În acest caz, punctele figurative ale sistemului în ansamblu și fazele sale cu trei componente se dovedesc a fi situate în interiorul unei prisme triedrice, ale cărei fețe reprezintă sisteme binare, iar muchiile reprezintă sisteme cu o singură componentă. Pe fig. 9 și cel mai simplu
