Fasdiagram Definition

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


Ett fasdiagram är en grafisk representation av de olika tillstånden av termodynamisk jämvikt i ett system under olika förhållanden. Den här typen av grafer gör att vi bland annat kan förutsäga de faser som är närvarande under vissa förhållanden, såväl som i vilken proportion varje fas finns och dess sammansättning, när det gäller binära blandningar eller mer komplexa blandningar .

Typer av fasdiagram

Enkomponentfasdiagram (rena substansdiagram)

Dessa diagram visar olika faser eller aggregationstillstånd där ett rent ämne kan hittas vid olika temperatur- och tryckvärden. Dessa fasdiagram kan bli mycket komplexa, särskilt i den fasta fasen, där temperatur- och tryckförhållanden kan gynna bildandet av flera olika kristallstrukturer med markant olika egenskaper .

Den typiska formen av ett fasdiagram för ett rent ämne visas nedan:

Fasdiagram Definition
Typiskt fasdiagram för ett rent ämne, såsom vatten.

Två exempel på typiska fasdiagram av ett rent ämne är de för elementärt kol och helium, som visas i följande figur. Kol , en icke-metall , kan förekomma i olika fasta allotroper (grafit och diamant); Det kan också förekomma i flytande och gasformigt tillstånd. När det gäller helium är detta en gas som inte lätt kan göras flytande.

Fasdiagram Definition

Fasdiagram av binära system (tvåkomponentsdiagram)

Binära fasdiagram består av en grafisk representation av de faser som bildas vid olika temperaturer eller vid olika tryck i ett system som består av två komponenter (binärt system) som en funktion av systemets totala sammansättning (vanligtvis representerad på X-axeln) .

Beroende på de speciella komponenterna i blandningen kan dessa system ge upphov till olika typer av fasdiagram. I några av dessa diagram bildas separata faser av de rena komponenterna i olika aggregationstillstånd (fast, flytande eller gas), medan i andra fall homogena faser av båda komponenterna bildas.

Två binära fasdiagram visas nedan. Det förra är ett exempel på ett binärt system som bildar en eutektisk blandning, medan det senare inte gör det.

Fasdiagram Definition

Fasdiagram Definition

Fasdiagram av ternära system (diagram över tre komponenter)

I dessa diagram används en triangel för att representera, på varje sida, sammansättningen av vart och ett av de tre binära systemen som kan bildas mellan tre komponenter. Vilken punkt som helst inuti triangeln representerar ett ternärt system med bestämd sammansättning.

I dessa fall bör koncentrationen av varje art representeras, antingen som en molfraktion eller massfraktion (för att säkerställa att alla fraktioner summeras till 1) eller som en procentandel (för att säkerställa att den totala koncentrationen alltid summerar till 100%). ).

Definition av ett fasdiagram

För varje möjlig sammansättning av systemet, vid en fast temperatur och tryck, visas den eller de faser som är närvarande.

Konstruktion av ett fasdiagram

Processen för konstruktion av ett fasdiagram kan utföras antingen teoretiskt eller från experimentell information. I det första fallet används termodynamiska ekvationer för att beräkna jämviktstillståndet för ett system (vare sig det är ett rent ämne, en binär blandning eller ett ternärt system) beroende på systemets egenskaper och dess sammansättning. Förutom relativt enkla system är detta tillvägagångssätt avsevärt komplext och svårt att genomföra.

Ur experimentell synvinkel är procedurerna som används för att bygga fasdiagram vanligtvis likartade, oavsett vilken typ av fasdiagram det är fråga om. I de flesta fall är det man eftersträvar att utgå från ett system i ett initialt tillstånd väldefinierat ur dess sammansättning och andra egenskaper, och det observeras på något sätt (med blotta ögat eller genom instrumentella tekniker). vilken eller vilka faser som finns. Variera sedan gradvis några av systemets egenskaper, håll alla andra egenskaper konstanta, notera eventuella tillståndsförändringar och de förhållanden under vilka denna tillståndsändring inträffade.

Konstruktion av diagram över rena ämnen

När det gäller rena ämnen ställs vanligtvis ett tryck in och sedan varieras temperaturen, vilket representerar fasändringspunkterna på höjden av motsvarande tryck på diagrammet. Därefter ändras trycket och processen upprepas. Föreningen av de punkter där fasförändringarna inträffar och skärningspunkterna mellan de resulterande kurvorna tillåter konstruktionen av fasdiagrammet, vilket i varje område på varje sida av varje kurva indikerar vilken fas som finns.

Konstruktion av binära diagram

I fallet med binära system börjar man normalt med de två rena komponenterna vid ett definierat tryck eller temperatur och varierar den andra variabeln (temperatur respektive tryck), och återigen noterar temperaturen eller trycket vid vilken någon fasförändring sker. Dessa punkter är representerade på de vertikala axlarna. Den till höger representerar en av de rena komponenterna och den till vänster den andra.

Sedan framställs blandningar av båda komponenterna med koncentrationer definierade i termer av deras mol- eller massfraktion (eller deras procent). För varje sammansättning (uppritad på x-axeln) ändra temperaturen eller trycket igen och notera fasförändringarna som tidigare.

Konstruktion av ternära diagram

Proceduren för ternära diagram är vanligtvis lite mer komplex. I vissa fall är syftet att framställa blandningar som löper parallellt med en av sidorna i diagrammet, i andra fall görs det vinkelrätt och i andra fall diagonalt. Var och en av dessa turer har sitt eget specifika experimentella sätt att uppnås, inklusive att blanda ett fast binärt system med ökande mängder av den tredje komponenten och vice versa, bland annat.

Vad används fasdiagram till?

Tillämpningen av fasdiagram beror på vilken typ av fasdiagram det är fråga om.

Användbarhet av fasdiagram av rena ämnen

När det gäller diagram över rena ämnen ger fasdiagrammet oss tydlig information om i vilken fas systemet kommer att befinna sig som funktion av tryck och temperatur. Tack vare detta tillåter det oss också att förutsäga de fasförändringar som måste ske när vi tar ett system från ett initialt tillstånd till ett slutligt genom olika vägar.

Å andra sidan gör denna typ av fasdiagram det också möjligt att förutsäga fasändringstemperaturerna (eller fasändringspunkterna) för ett rent ämne vid olika tryck. Till exempel kan vi tydligt se hur kokpunkten och smältpunkten förändras som en funktion av trycket.

Användbarhet av binära fasdiagram

När det gäller binära fasdiagram ger dessa information om de olika faserna, deras proportioner och deras sammansättning när vi varierar, antingen temperaturen håller trycket konstant eller trycket håller temperaturen konstant. Eftersom det är tvådimensionella diagram är det i allmänhet inte möjligt att samtidigt observera fasförändringar, de proportioner i vilka varje fas är närvarande och dess sammansättning som en funktion av temperatur och tryck. Konstruktionen av binära fasdiagram som funktion av temperatur vid olika tryck kan dock ge oss denna information indirekt.

Fasdiagram över binära system låter oss studera interaktionerna mellan de olika faserna som kan bildas mellan två olika kemiska ämnen. Dessa faser kan inkludera rena faser av båda komponenterna i olika tillstånd (fast och flytande, till exempel) eller homogena faser som innehåller båda komponenterna (såsom legeringar, lösningar, samkristaller, etc.).

Tack vare ovanstående tillåter binära fasdiagram identifiering av eutektiska system, som är binära system som smälter vid en enda temperatur och vars smältpunkt är lägre än den för någon av de två rena komponenterna. Dessutom tillåter de bestämning av smälttemperaturen för detta system, känd som den eutektiska punkten. Detta är mycket viktigt i olika industriella tillämpningar, eftersom det möjliggör identifiering och design av höghållfasta, lågsmältande metallegeringar som är användbara, till exempel vid svetsning.

Användbarhet av ternära fasdiagram

Slutligen, i ternära fasdiagram, används ett triangulärt diagram för att samtidigt kunna representera vid en punkt de proportioner i vilka de tre komponenterna i en ternär blandning finns. Det betyder att vi i dessa diagram inte kan observera effekten av temperatur och tryck på den eller de faser som finns i det ternära systemet, utan endast effekten av sammansättning.

Därför används ett ternärt fasdiagram främst för att bestämma hur ett ternärt system beter sig när den relativa koncentrationen av en av komponenterna varierar. Detta är användbart för att studera system där två lösningar med olika lösta ämnen blandas, eftersom lösningsmedlet och de två lösta ämnena kommer att finnas i blandningen, vilket bildar ett ternärt system.

Delar av ett fasdiagram

Följande diagram används för att beskriva delarna av ett fasdiagram för ett rent ämne och ett binärt system:

Fasdiagram Definition

Fasdiagram Definition

Grafens axlar

Beroende på typen av fasdiagram kan dessa representera tryck och temperatur (som i fallet med det första diagrammet), molfraktion av en komponent (som i den andra) eller av två komponenter (som i fallet med ternära diagram) . ).

Fasjämviktskurvor

De är kurvorna som skiljer en fas från en annan i ett fasdiagram. AB-, BC- och BD-kurvorna i diagrammet ovan för ett rent ämne är alla exempel på fasjämviktskurvor, liksom AB- och AD-kurvorna i det andra diagrammet.

trippelpoäng

I system av rena ämnen är trippelpunkten den där flera fasjämviktskurvor sammanfaller, så det finns 3 faser i samtidig jämvikt. Det motsvarar punkt B i det första diagrammet i föregående figur.

Kritiska punkter

Det motsvarar punkt D i det första diagrammet. Den indikerar den maximala temperaturen vid vilken ett rent ämne kan existera som vätska. Över denna temperatur är ämnet alltid gasformigt och vid högre temperaturer och tryck beter det sig som en superkritisk vätska.

eutektiska punkter

Den motsvarar punkt A i det binära diagrammet i föregående bild. Det är den punkt vid vilken båda faserna smälter samman och går direkt från det fasta tillståndet till det flytande tillståndet med ingen av de två ursprungliga fasta faserna kvar. Denna punkt markerar både den eutektiska smälttemperaturen och den eutektiska sammansättningen för det betraktade binära systemet.

Alla blandningar bildar inte eutektiska blandningar, men många, såsom legeringar, gör det.

Referenser

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

Binärt fasdiagram . (2014, 9 april). Kemisk zon. http://zona-quimica.blogspot.com/2014/04/diagrama-de-fases-binario.html

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

Materialteknik. (2018, 20 januari). Fasdiagram: Betydelse och 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). Banor i ternära diagram . Elsevier. https://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-trayectorias-diagramas-ternarios-S0187893X18300995

-Annons-

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

Artículos relacionados

Flamfärgtestet