Phasendiagramm

Ein Phasendiagramm oder Phasendiagramm ist eine grafische Darstellung, die in der Thermodynamik verwendet wird , im Allgemeinen in zwei oder drei Dimensionen , die die Domänen des physikalischen Zustands (oder der Phase ) eines Systems ( reiner Stoff oder Gemisch reiner Stoffe) als Funktion darstellt von Variablen, die ausgewählt wurden, um das Verständnis der untersuchten Phänomene zu erleichtern.

Die einfachsten Diagramme beziehen sich auf einen Reinstoff mit Temperatur und Druck als Variablen  ; die anderen Variablen häufig verwendet werden , Enthalpie , Entropie , Massenvolumen , als auch die Masse oder Volumen - Konzentration eines der reinen Substanzen eine Mischung bilden.

Wenn das untersuchte System eine Mischung aus n reinen Körpern ist, wird sein physikalischer Zustand durch die (n-1) unabhängigen Anteile seiner Komponenten sowie durch Temperatur und Druck definiert. Ein bivariates Diagramm kann daher nur durch Festlegen von (n-1) Systemvariablen erstellt werden.

Es ist ein Diagramm, das mit einem Gleichgewicht verbunden ist, das es nicht ermöglicht, ein System in einem metastabilen Zustand wie flüssiges Wasser bei einer Temperatur unter 0  °C unter normalem Atmosphärendruck ( Unterkühlung ) zu beschreiben. Anfang 2009 wurden alle Phasendiagramme der leichten einfachen Elemente erstellt, außer dem von Bor, das nach erfolgreicher Synthese einer neuen Form von Bor namens „ Gamma-Bor  “ (teilweise ionisch, bildet aber die härteren) schnell verfügbar sein sollte und dichteres Bor)

Schema eines reinen Körpers

Der Reinstoff liegt je nach Druck- und Temperaturbedingungen in einer oder mehreren seiner festen, flüssigen und gasförmigen Phasen vor. Im Allgemeinen existiert ein reiner Stoff für einen bestimmten Druck und eine bestimmte Temperatur in einer einzigen Phase, außer:

Wenn alle dargestellten Phasen unterschiedlichen physikalischen Zuständen entsprechen, spricht man manchmal von einem Zustandsänderungsdiagramm.

Als allgemeine Regel gilt, dass die Zustandsänderungskurven P = f ( T ) ansteigend sind. Eine bemerkenswerte Ausnahme ist , dass Wasser, für die die Schmelz - Erstarrungskurve nimmt ab (dies bedeutet , dass Eis schwimmt auf flüssiges Wasser).

Die Steigung dieser Kurve wird durch die Clapeyron-Formel angegeben  :

mit:

Beispiele für Diagramme

Sonderfall Wasser

Wasserphasendiagramm. Anmerkungen 1 Ein mit der Atmosphäre in Kontakt gebrachter reiner Körper ist kein System aus einem einzigen reinen Körper, da die Gase in der Luft berücksichtigt werden müssen. Dies erklärt zum Beispiel, dass Wasser bei Umgebungstemperatur normalerweise sehr weit von seinem Siedepunkt ( 100  ° C bei normalem Atmosphärendruck) im flüssigen und im dampfförmigen Zustand koexistiert . Tatsächlich ist der Partialdruck von Wasserdampf dann viel niedriger als der Atmosphärendruck. Der Wasserdampfdruck, genannt Sättigungsdampfdruck, in der Größenordnung von 0,006  atm bei 0  °C steigt allmählich auf 100  °C an, wo er 1  atm erreicht . In diesem Stadium spielt der atmosphärische Druck der Luft keine Rolle mehr als Abdeckung und die Wassermoleküle entweichen plötzlich aus dem Medium: Dies ist das Phänomen des Siedens . Wird der Luftdruck durch eine Vakuumpumpe abgesenkt, kann das Sieden von Wasser sogar bei einer Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur erfolgen. Anmerkung 2 Im Festkörper kann ein Körper je nach Druck- und Temperaturbereich manchmal mehrere Kristallisationsformen annehmen. Jede Kristallisationsform stellt somit eine andere Phase dar, die es ermöglicht, ein Phasendiagramm zu zeichnen.

Diagramm (P, V, T)

Bei Zustandsänderungen (gas-flüssig-fest) eines reinen Stoffes werden die Ergebnisse manchmal in Form eines dreidimensionalen Diagramms dargestellt, die Achsen sind der Druck P, das vom System eingenommene Volumen V und die Temperatur T.

Dieses dreidimensionale Diagramm besteht aus drei Arten von Diagrammen, die in der Thermodynamik verwendet werden  : Zustandsänderungsdiagramme , Clapeyron-Isothermendiagramme und Isobarendiagramme.

Die folgende Abbildung zeigt ein thermodynamisches Diagramm als "Schnitt" oder "Projektion" des Diagramms (P, V, T). Der Pfeil gibt die Projektionsrichtung an.

Binäres und ternäres Diagramm

Wenn wir ein System haben, das aus zwei reinen Substanzen besteht, kann das System in verschiedenen Formen vorliegen:

Die oben genannten Zustände bestehen entweder aus einer einzigen Phase (zB mischbare Flüssigkeiten oder Gase) oder aus mehreren heterogenen Phasen . Der Zustand eines Systems kann auch als Funktion von Druck, Temperatur und Zusammensetzung aufgetragen werden.

Bei n Reinstoffen haben wir n Konzentrationen, aber nur n + 1 unabhängige Parameter mit Druck und Temperatur; tatsächlich ist die Summe der Konzentrationen gleich 100%, und eine der Konzentrationen kann von den anderen abgeleitet werden und stellt daher keinen unabhängigen Parameter dar.

Um diese n + 1 unabhängigen Parameter darzustellen, bräuchten wir also ein n + 1-dimensionales Diagramm (3 Dimensionen für zwei reine Körper, 4 Dimensionen für drei reine Körper). Zur Vereinfachung der Darstellung werden genügend Parameter gesetzt, um ein zweidimensionales Diagramm zu zeichnen; die folgenden Diagramme werden häufig berücksichtigt:

Einzelmischkristall-Diagramm

In einigen Fällen, wie zum Beispiel Silber - Gold - Legierungen , gibt es keine definierte Verbindung. In diesen Fällen sieht das Binärdiagramm wie folgt aus:

Wir haben

Wir definieren :

Zwischen Liquidus und Solidus befindet sich ein Fest-Flüssig-Gemisch. Anhand dieses Diagramms lässt sich vorhersagen, wie die Erstarrung stattfindet .

Definierte Verbindungen

Die definierten Verbindungen sind Verbindungen, deren Phasenänderung bei konstanter Temperatur stattfindet. Das Vorhandensein einer Vertikalen im Binärdiagramm weist auf das Vorhandensein einer definierten Verbindung hin.

Als Beispiel sei MgZn 2 genannt . Auch Kupfer (Cu) und Zinn (Sn) bilden definierte Verbindungen.

Wir unterscheiden:

Wir sprechen von einer definierten Verbindung mit kongruenter Verschmelzung, wenn die Verschmelzung dieser definierten Verbindung, auch nur teilweise , zu einer Flüssigkeit derselben Zusammensetzung führt (in der obigen Abbildung gibt es kein Beispiel).

Wie erstellt man ein Phasendiagramm?

Das Phasendiagramm wird experimentell erstellt: Die Bedingungen werden variiert und die Phasenänderungen beobachtet.

Phasenänderungen können auf verschiedene Weise beobachtet werden:

Die Erstarrungskurve, die zur Bestimmung der Zustandsänderungstemperatur verwendet wird, stammt aus der vereinfachten Thermodifferenzialanalyse; es besteht darin, eine Flüssigkeit abkühlen zu lassen und ihre Temperatur zu messen. Die Wärmeverlustrate ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem System und der Außenseite, sodass wir eine exponentielle Kurve haben. Wenn ein Plateau beobachtet wird, bedeutet dies, dass die Probe Wärme abgibt, die für die Erstarrung charakteristisch ist. Bei einer Phasenänderung (Änderung der Kristallstruktur) im Festkörper kann in gleicher Weise ein Plateau beobachtet werden.

Hinweise und Referenzen

Anmerkungen

  1. In der Physik nennen wir Phase einen Reinstoff oder ein homogenes Gemisch reiner Stoffe, das sich in einem bestimmten Zustand (Gas, Flüssigkeit, amorpher Festkörper, Festkörper kristallisiert in dieser und jener Form) befindet.
  2. Bei hohen Temperaturen erscheint eine reine Substanz in Form eines Plasmas , das als Aggregatzustand angesehen wird.
  3. Temperatur über kritischer Temperatur oder Druck über kritischem Druck.
  4. Ein Gas, dessen Temperatur höher als seine kritische Temperatur ist, wird als überkritisch bezeichnet  ; es ist unmöglich, es allein durch Kompression zu verflüssigen.

Verweise

  1. A. Oganov et al. Nature, doi: 10; 1038 / nature07736 ( http://www.nature.com/nature/journal/v457/n7231/full/457800a.html Siehe)

Siehe auch

Zum Thema passende Artikel