Definition af fasediagram

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.


Et fasediagram er en grafisk repræsentation af de forskellige tilstande af termodynamisk ligevægt i et system under forskellige forhold. Denne type graf giver os mulighed for blandt andet at forudsige de faser, der er til stede under visse forhold, samt den andel, som hver fase findes i og dens sammensætning, i tilfælde af binære blandinger eller mere komplekse blandinger .

Typer af fasediagrammer

Enkeltkomponentfasediagrammer (diagrammer over rene stof)

Disse diagrammer viser de forskellige faser eller aggregeringstilstande, hvor et rent stof kan findes ved forskellige værdier af temperatur og tryk. Disse fasediagrammer kan blive meget komplekse, især i den faste fase, hvor temperatur- og trykforhold kan begunstige dannelsen af ​​flere forskellige krystalstrukturer med markant forskellige egenskaber .

Den typiske form af et fasediagram for et rent stof er vist nedenfor:

Definition af fasediagram
Typisk fasediagram af et rent stof, såsom vand.

To eksempler på typiske fasediagrammer af et rent stof er dem af elementært kulstof og helium, som er vist i den følgende figur. Kulstof , et ikke-metal , kan forekomme i forskellige faste allotroper (grafit og diamant); Det kan også forekomme i flydende og gasformig tilstand. I tilfælde af helium er dette en gas, der ikke let kan gøres flydende.

Definition af fasediagram

Fasediagrammer af binære systemer (to-komponent diagrammer)

Binære fasediagrammer består af en grafisk repræsentation af de faser, der dannes ved forskellige temperaturer eller ved forskellige tryk i et system bestående af to komponenter (binært system) som funktion af systemets samlede sammensætning (normalt repræsenteret på X-aksen) .

Afhængigt af blandingens særlige komponenter kan disse systemer give anledning til forskellige typer fasediagrammer. I nogle af disse diagrammer dannes separate faser af de rene komponenter i forskellige aggregeringstilstande (fast, flydende eller gas), mens der i andre tilfælde dannes homogene faser af begge komponenter.

To binære fasediagrammer er vist nedenfor. Førstnævnte er et eksempel på et binært system, der danner en eutektisk blanding, mens sidstnævnte ikke gør.

Definition af fasediagram

Definition af fasediagram

Fasediagrammer af ternære systemer (diagrammer af tre komponenter)

I disse diagrammer bruges en trekant til at repræsentere, på hver side, sammensætningen af ​​hvert af de tre binære systemer, der kan dannes mellem tre komponenter. Ethvert punkt inde i trekanten repræsenterer et ternært system med bestemt sammensætning.

I disse tilfælde skal koncentrationen af ​​hver art repræsenteres, enten som en molfraktion eller massefraktion (for at sikre, at alle fraktioner summer til 1) eller som en procentdel (for at sikre, at den samlede koncentration altid summerer til 100%). ).

Definition af et fasediagram

For hver mulig sammensætning af systemet, ved en fast temperatur og tryk, vises den eller de faser, der er til stede.

Konstruktion af et fasediagram

Processen med konstruktion af et fasediagram kan udføres enten teoretisk eller ud fra eksperimentel information. I det første tilfælde bruges termodynamiske ligninger til at beregne ligevægtstilstanden for et system (det være sig et rent stof, en binær blanding eller et ternært system) afhængigt af systemets egenskaber og dets sammensætning. Bortset fra relativt simple systemer er denne tilgang betydeligt kompleks og vanskelig at udføre.

Fra et eksperimentelt synspunkt er de procedurer, der bruges til at bygge fasediagrammer, normalt ens, uanset hvilken type fasediagram der er tale om. I de fleste tilfælde er det, der søges, at tage udgangspunkt i et system i en initial tilstand, der er veldefineret ud fra dets sammensætning og andre egenskaber, og det observeres på en eller anden måde (med det blotte øje eller gennem instrumentelle teknikker). hvilken eller hvilke faser der er til stede. Varier derefter gradvist nogle af systemets egenskaber, idet alle andre egenskaber holdes konstante, idet der tages hensyn til enhver tilstandsændring og de betingelser, hvorunder denne tilstandsændring fandt sted.

Konstruktion af diagrammer over rene stoffer

I tilfælde af rene stoffer indstilles normalt et tryk, og derefter varieres temperaturen, hvilket repræsenterer faseændringspunkterne i højden af ​​det tilsvarende tryk på diagrammet. Derefter ændres trykket, og processen gentages. Foreningen af ​​de punkter, hvor faseændringerne forekommer, og skæringerne mellem de resulterende kurver tillader konstruktionen af ​​fasediagrammet, der angiver i hvert område på hver side af hver kurve, hvilken fase der er til stede.

Konstruktion af binære diagrammer

I tilfælde af binære systemer starter man normalt med de to rene komponenter ved et defineret tryk eller temperatur og varierer den anden variabel (henholdsvis temperatur eller tryk), og noterer igen den temperatur eller det tryk, hvorved en faseændring sker. Disse punkter er repræsenteret på de lodrette akser. Den til højre repræsenterer en af ​​de rene komponenter og den til venstre den anden.

Derefter fremstilles blandinger af begge komponenter med koncentrationer defineret i form af deres mol eller massefraktion (eller deres procenter). For hver sammensætning (aftegnet på x-aksen) skal du igen variere temperaturen eller trykket og notere faseændringerne som før.

Konstruktion af ternære diagrammer

Proceduren for ternære diagrammer er normalt en smule mere kompleks. I nogle tilfælde er målet at fremstille blandinger, der løber parallelt med en af ​​siderne i diagrammet, i andre tilfælde gøres det vinkelret og i andre tilfælde diagonalt. Hver af disse ture har sin egen særlige eksperimentelle måde at opnås på, herunder blanding af et fast binært system med stigende mængder af den tredje komponent og omvendt, blandt andre.

Hvad bruges fasediagrammer til?

Anvendelsen af ​​fasediagrammer afhænger af den pågældende type fasediagram.

Anvendelse af fasediagrammer af rene stoffer

Ved diagrammer over rene stoffer giver fasediagrammet os tydelige oplysninger om, hvilken fase systemet vil være i som funktion af tryk og temperatur. Takket være dette giver det os også mulighed for at forudsige de faseændringer, der skal ske, når vi tager et system fra en initial tilstand til en endelig gennem forskellige veje.

På den anden side gør denne type fasediagrammer det også muligt at forudsige faseændringstemperaturerne (eller faseændringspunkterne) for et rent stof ved forskellige tryk. For eksempel kan vi tydeligt se, hvordan koge- og smeltepunkterne ændrer sig som funktion af tryk.

Nytte af binære fasediagrammer

I tilfælde af binære fasediagrammer giver disse information om de forskellige faser, deres proportioner og deres sammensætning, når vi varierer, enten temperaturen holder trykket konstant, eller trykket holder temperaturen konstant. Da det er todimensionelle diagrammer, er det generelt ikke muligt samtidigt at observere faseændringer, de proportioner, som hver fase er til stede i, og dens sammensætning som funktion af temperatur og tryk. Imidlertid kan konstruktionen af ​​binære fasediagrammer som funktion af temperatur ved forskellige tryk give os denne information indirekte.

Fasediagrammer over binære systemer giver os mulighed for at studere vekselvirkningerne mellem de forskellige faser, der kan dannes mellem to forskellige kemiske stoffer. Disse faser kan omfatte rene faser af begge komponenter i forskellige tilstande (f.eks. fast og flydende) eller homogene faser, der indeholder begge komponenter (såsom legeringer, opløsninger, co-krystaller osv.).

Takket være ovenstående tillader binære fasediagrammer identifikation af eutektiske systemer, som er binære systemer, der smelter ved en enkelt temperatur, og hvis smeltepunkt er lavere end for en af ​​de to rene komponenter. Derudover tillader de bestemmelse af smeltetemperaturen for dette system, kendt som det eutektiske punkt. Dette er meget vigtigt i forskellige industrielle applikationer, da det gør det muligt at identificere og designe højstyrke, lavtsmeltende metallegeringer , som er nyttige for eksempel ved svejsning.

Nytte af ternære fasediagrammer

Endelig, i ternære fasediagrammer, bruges et trekantdiagram til samtidig at kunne repræsentere på et punkt de forhold, hvori de tre komponenter i en ternær blanding findes. Det betyder, at vi i disse diagrammer ikke kan observere effekten af ​​temperatur og tryk på den eller de fase(r), der er til stede i det ternære system, men kun effekten af ​​sammensætning.

Derfor bruges et ternært fasediagram hovedsageligt til at bestemme, hvordan et ternært system opfører sig, når den relative koncentration af en af ​​komponenterne varierer. Dette er nyttigt til at studere systemer, hvor to opløsninger med forskellige opløste stoffer blandes, da opløsningsmidlet og de to opløste stoffer vil være til stede i blandingen og dermed danne et ternært system.

Dele af et fasediagram

Følgende diagrammer bruges til at beskrive delene af et fasediagram for et rent stof og et binært system:

Definition af fasediagram

Definition af fasediagram

Grafens akser

Afhængigt af typen af ​​fasediagram kan disse repræsentere tryk og temperatur (som i tilfældet med det første diagram), molfraktion af en komponent (som i den anden) eller af to komponenter (som i tilfælde af ternære diagrammer) . ).

Faseligevægtskurver

De er kurverne, der adskiller en fase fra en anden i et fasediagram. AB-, BC- og BD-kurverne i ovenstående diagram af et rent stof er alle eksempler på faseligevægtskurver, ligesom AB- og AD-kurverne i det andet diagram.

tredobbelte point

I systemer af rene stoffer er det tredobbelte punkt, hvor flere faseligevægtskurver falder sammen, så der er 3 faser i samtidig ligevægt. Det svarer til punkt B i det første diagram i den foregående figur.

Kritiske punkter

Det svarer til punkt D i det første diagram. Det angiver den maksimale temperatur, ved hvilken et rent stof kan eksistere som væske. Over denne temperatur er stoffet altid gasformigt og ved højere temperaturer og tryk opfører det sig som en superkritisk væske.

eutektiske punkter

Det svarer til punkt A i det binære diagram i det foregående billede. Det er det punkt, hvor begge faser smelter sammen og går direkte fra den faste tilstand til den flydende tilstand, hvor ingen af ​​de to oprindelige faste faser forbliver til stede. Dette punkt markerer både den eutektiske smeltetemperatur og den eutektiske sammensætning for det betragtede binære system.

Ikke alle blandinger danner eutektiske blandinger, men mange, såsom legeringer, gør det.

Referencer

Agudelo, AF, & Restrepo, OJ (2005, 21. januar). TERMODYNAMIK OG FASEDIAGRAMMER . sciELO. http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532005000100002

Binært fasediagram . (2014, 9. april). Kemisk zone. http://zona-quimica.blogspot.com/2014/04/diagrama-de-fases-binario.html

Lopez, JR (sf). Fasediagrammer . Junta de Andalucía. https://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/42/html/diagram.html

Materialeteknik. (2018, 20. januar). Fasediagram: Betydning og typer . Engineering Notes Indien. https://www.engineeringenotes.com/engineering/phase-diagram/phase-diagram-meaning-and-types-material-engineering/34506

Novelo-Torres, AM, & Gracia-Fabrique, J. (2010, 1. oktober). Baner i ternære diagrammer . Elsevier. https://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-trayectorias-diagramas-ternarios-S0187893X18300995

-Reklame-

mm
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados

Flammefarvetesten