Definicja diagramu fazowego

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


Diagram fazowy jest graficzną reprezentacją różnych stanów równowagi termodynamicznej układu w różnych warunkach. Ten rodzaj wykresu pozwala nam między innymi przewidzieć fazy występujące w określonych warunkach, a także proporcję, w jakiej występuje każda faza i jej skład, w przypadku mieszanin binarnych lub bardziej złożonych mieszanin .

Rodzaje diagramów fazowych

Diagramy fazowe pojedynczego składnika (diagramy czystej substancji)

Diagramy te pokazują różne fazy lub stany skupienia, w których można znaleźć czystą substancję przy różnych wartościach temperatury i ciśnienia. Te diagramy fazowe mogą stać się bardzo złożone, zwłaszcza w fazie stałej, gdzie warunki temperaturowe i ciśnieniowe mogą sprzyjać tworzeniu się wielu różnych struktur krystalicznych o wyraźnie różnych właściwościach .

Typowy kształt diagramu fazowego dla czystej substancji przedstawiono poniżej:

Definicja diagramu fazowego
Typowy diagram fazowy czystej substancji, takiej jak woda.

Dwa przykłady typowych diagramów fazowych czystej substancji to diagramy pierwiastkowego węgla i helu, które pokazano na poniższym rysunku. Węgiel , niemetal , może występować w różnych alotropach ciał stałych (grafit i diament); Może również występować w stanie ciekłym i gazowym. W przypadku helu jest to gaz, którego nie da się łatwo skroplić.

Definicja diagramu fazowego

Diagramy fazowe układów binarnych (diagramy dwuskładnikowe)

Diagramy faz binarnych składają się z graficznej reprezentacji faz, które tworzą się w różnych temperaturach lub pod różnymi ciśnieniami w układzie składającym się z dwóch składników (układ binarny) w funkcji całkowitego składu układu (zwykle przedstawianego na osi X) .

W zależności od poszczególnych składników mieszaniny, układy te mogą dawać początek różnym typom diagramów fazowych. Na niektórych z tych diagramów tworzą się oddzielne fazy czystych składników w różnych stanach skupienia (stały, ciekły lub gazowy), podczas gdy w innych przypadkach tworzą się jednorodne fazy obu składników.

Poniżej przedstawiono dwa binarne diagramy fazowe. Ten pierwszy jest przykładem układu podwójnego, który tworzy mieszaninę eutektyczną, podczas gdy drugi nie.

Definicja diagramu fazowego

Definicja diagramu fazowego

Diagramy fazowe układów trójskładnikowych (schematy trzech elementów)

Na tych diagramach trójkąt jest używany do reprezentowania z każdej strony składu każdego z trzech systemów binarnych, które mogą być utworzone między trzema składnikami. Każdy punkt wewnątrz trójkąta reprezentuje trójskładnikowy system o określonym składzie.

W takich przypadkach stężenie każdego gatunku powinno być przedstawione jako ułamek molowy lub ułamek masowy (aby wszystkie ułamki sumowały się do 1) lub procentowo (aby całkowite stężenie zawsze sumowało się do 100%). ).

Definicja wykresu fazowego

Dla każdego możliwego składu układu, przy ustalonej temperaturze i ciśnieniu, pokazana jest obecna faza lub fazy.

Budowa diagramu fazowego

Proces budowy diagramu fazowego można przeprowadzić teoretycznie lub na podstawie informacji eksperymentalnych. W pierwszym przypadku równania termodynamiczne służą do obliczenia stanu równowagi układu (czy to czystej substancji, mieszaniny binarnej czy układu trójskładnikowego) w zależności od właściwości układu i jego składu. Z wyjątkiem stosunkowo prostych systemów, podejście to jest znacznie złożone i trudne do przeprowadzenia.

Z eksperymentalnego punktu widzenia procedury stosowane do budowy diagramów fazowych są zwykle podobne, niezależnie od rodzaju rozpatrywanego diagramu fazowego. W większości przypadków dąży się do wyjścia z systemu w stanie początkowym, dobrze określonym z punktu widzenia jego składu i innych właściwości, i jest to obserwowane w jakiś sposób (gołym okiem lub za pomocą technik instrumentalnych). która faza lub fazy są obecne. Następnie stopniowo zmieniaj niektóre właściwości układu, utrzymując wszystkie inne właściwości na stałym poziomie, zwracając uwagę na wszelkie zmiany stanu i warunki, w których nastąpiła ta zmiana stanu.

Budowa diagramów substancji czystych

W przypadku substancji czystych zwykle ustawia się ciśnienie, a następnie zmienia się temperaturę, przedstawiając na wykresie punkty przemiany fazowej na wysokości odpowiedniego ciśnienia. Następnie zmienia się ciśnienie i proces powtarza się. Suma punktów, w których zachodzą przemiany fazowe, oraz przecięcia między powstałymi krzywymi pozwalają na zbudowanie diagramu fazowego, wskazującego w każdym obszarze po każdej stronie każdej krzywej, która faza jest obecna.

Budowa diagramów binarnych

W przypadku systemów binarnych zwykle zaczyna się od dwóch czystych składników przy określonym ciśnieniu lub temperaturze i zmienia drugą zmienną (odpowiednio temperaturę lub ciśnienie), ponownie odnotowując temperaturę lub ciśnienie, przy których następuje pewna zmiana fazowa. Punkty te są reprezentowane na osiach pionowych. Ten po prawej reprezentuje jeden z czystych składników, a ten po lewej drugi.

Następnie przygotowuje się mieszaniny obu składników o stężeniach określonych w ich udziale molowym lub masowym (lub ich procentach). Dla każdego składu (wykreślonego na osi x) ponownie zmień temperaturę lub ciśnienie i zanotuj zmiany faz, jak poprzednio.

Budowa diagramów trójskładnikowych

Procedura dla diagramów trójskładnikowych jest zwykle nieco bardziej złożona. W niektórych przypadkach celem jest przygotowanie mieszanin biegnących równolegle do jednego z boków diagramu, w innych prostopadle, aw innych po przekątnej. Każda z tych tras ma swój własny, eksperymentalny sposób realizacji, w tym między innymi mieszanie stałego systemu binarnego ze zwiększającymi się ilościami trzeciego składnika i odwrotnie.

Do czego służą diagramy fazowe?

Zastosowanie diagramów fazowych zależy od konkretnego rodzaju danego diagramu fazowego.

Użyteczność diagramów fazowych substancji czystych

W przypadku wykresów substancji czystych diagram fazowy dostarcza nam jasnych informacji o fazie, w której układ będzie się znajdował w funkcji ciśnienia i temperatury. Dzięki temu pozwala również przewidywać zmiany faz, jakie muszą nastąpić, gdy różnymi drogami przeprowadzamy układ ze stanu początkowego do końcowego.

Z drugiej strony tego typu diagramy fazowe umożliwiają również przewidywanie temperatur przemian fazowych (lub punktów przemian fazowych) czystej substancji przy różnych ciśnieniach. Na przykład możemy wyraźnie zobaczyć, jak zmieniają się temperatury wrzenia i topnienia w funkcji ciśnienia.

Użyteczność binarnych diagramów fazowych

W przypadku binarnych diagramów fazowych dostarczają one informacji o różnych fazach, ich proporcjach i składzie, gdy się zmieniamy, albo temperatura utrzymująca stałe ciśnienie, albo ciśnienie utrzymujące stałą temperaturę. Ponieważ diagramy są dwuwymiarowe, generalnie nie jest możliwe jednoczesne obserwowanie przemian fazowych, proporcji, w jakich występuje każda faza, oraz jej składu w funkcji temperatury i ciśnienia. Jednak konstrukcja binarnych diagramów fazowych w funkcji temperatury przy różnych ciśnieniach może dostarczyć nam tych informacji pośrednio.

Diagramy fazowe układów podwójnych pozwalają nam badać interakcje między różnymi fazami, które mogą tworzyć się między dwiema różnymi substancjami chemicznymi. Fazy ​​te mogą obejmować czyste fazy obu składników w różnych stanach (na przykład stałe i ciekłe) lub fazy jednorodne zawierające oba składniki (takie jak stopy, roztwory, kokryształy itp.).

Dzięki temu binarne diagramy fazowe pozwalają na identyfikację układów eutektycznych, czyli układów podwójnych, które topią się w jednej temperaturze i których temperatura topnienia jest niższa niż któregokolwiek z dwóch czystych składników. Ponadto pozwalają na wyznaczenie temperatury topnienia tego układu, znanej jako punkt eutektyczny. Jest to bardzo ważne w różnych zastosowaniach przemysłowych, ponieważ umożliwia identyfikację i projektowanie wysokowytrzymałych , niskotopliwych stopów metali przydatnych np. w spawaniu.

Użyteczność trójskładnikowych diagramów fazowych

Wreszcie, w trójskładnikowych diagramach fazowych, trójkątny diagram jest używany, aby móc jednocześnie przedstawić w jednym punkcie proporcje, w których znajdują się trzy składniki trójskładnikowej mieszaniny. Oznacza to, że na tych wykresach nie możemy zaobserwować wpływu temperatury i ciśnienia na fazę(y) obecną(e) w układzie trójskładnikowym, a jedynie wpływ składu.

Dlatego trójskładnikowy diagram fazowy jest używany głównie do określenia, jak zachowuje się układ trójskładnikowy, gdy zmienia się względne stężenie jednego ze składników. Jest to przydatne do badania układów, w których miesza się dwa roztwory z różnymi substancjami rozpuszczonymi, ponieważ rozpuszczalnik i dwie substancje rozpuszczone będą obecne w mieszaninie, tworząc w ten sposób układ trójskładnikowy.

Części diagramu fazowego

Poniższe diagramy służą do opisania części diagramu fazowego dla czystej substancji i układu podwójnego:

Definicja diagramu fazowego

Definicja diagramu fazowego

Osie wykresu

W zależności od rodzaju diagramu fazowego mogą one przedstawiać ciśnienie i temperaturę (jak w przypadku pierwszego diagramu), ułamek molowy jednego składnika (jak w drugim) lub dwóch składników (jak w przypadku diagramów trójskładnikowych) . ).

Krzywe równowagi fazowej

Są to krzywe oddzielające jedną fazę od drugiej na diagramie fazowym. Krzywe AB, BC i BD na powyższym diagramie czystej substancji są przykładami krzywych równowagi fazowej, podobnie jak krzywe AB i AD na drugim diagramie.

potrójne punkty

W układach czystych substancji punkt potrójny to ten, w którym pokrywa się kilka krzywych równowagi fazowej, więc w równowadze znajdują się 3 fazy. Odpowiada punktowi B na pierwszym schemacie poprzedniego rysunku.

Punkt krytyczny

Odpowiada punktowi D na pierwszym diagramie. Wskazuje maksymalną temperaturę, w której czysta substancja może istnieć jako ciecz. Powyżej tej temperatury substancja jest zawsze gazowa, a przy wyższych temperaturach i ciśnieniach zachowuje się jak ciecz w stanie nadkrytycznym.

punkty eutektyczne

Odpowiada punktowi A na schemacie binarnym poprzedniego obrazu. Jest to punkt, w którym obie fazy topią się razem, przechodząc bezpośrednio ze stanu stałego do stanu ciekłego, przy czym żadna z dwóch pierwotnych faz stałych nie pozostaje obecna. Punkt ten wyznacza zarówno temperaturę topnienia eutektyki, jak i skład eutektyczny dla rozważanego układu podwójnego.

Nie wszystkie mieszaniny tworzą mieszaniny eutektyczne, ale wiele, na przykład stopy, tak.

Bibliografia

Agudelo, AF i Restrepo, Dz.U. (2005, 21 stycznia). TERMODYNAMIKA I WYKRESY FAZOWE . sciELO. http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532005000100002

Diagram fazy binarnej . (2014, 9 kwietnia). Strefa chemiczna. http://zona-quimica.blogspot.com/2014/04/diagrama-de-fases-binario.html

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

Inżynieria materiałowa. (2018, 20 stycznia). Diagram faz: znaczenie i rodzaje . Uwagi inżynierskie Indie. https://www.engineeringenotes.com/engineering/phase-diagram/phase-diagram-meaning-and-types-material-engineering/34506

Novelo-Torres, AM i Gracia-Fabrique, J. (2010, 1 października). Trajektorie na diagramach trójskładnikowych . Elsevier. https://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-trayectorias-diagramas-ternarios-S0187893X18300995

-Reklama-

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

Artículos relacionados