Definicja Przemiany fazowe

Stan skupienia materii podstawowa forma, w jakiej występuje substancja określająca jej podstawowe własności fizyczne. Własności substancji wynikają z układu oraz zachowania cząsteczek tworzących daną substancję. Bardziej precyzyjnym określeniem form występowania substancji jest faza materii.

Tradycyjny podział stanów skupienia

Tradycyjny, pochodzący z XVII w. podział stanów skupienia wyróżnia trzy takie stany (w nawiasach nazwy substancji w tym stanie):

stały (ciało stałe)
ciekły (ciecz)
lotny (gaz)

Podział ten wynika z podstawowych własności substancji w danym stanie:

stały - trudno zmienić objętość i kształt,
ciekły - trudno zmienić objętość, a kształt łatwo,
lotny - łatwo zmienić objętość i kształt, ciało zajmuje całą dostępną mu przestrzeń.

Występowanie większości substancji...
[click for more] w danym stanie stanie skupienia zależy od panujących w niej warunków termodynamicznych, czyli ciśnienia i temperatury, np. wodaWoda, czyli tlenek wodoru (wg obecnej nomenklatury IUPAC - oksydan) to związek chemiczny o wzorze H2O, występujący w warunkach standardowych (pokojowych) w stanie ciekłym. W stanie gazowym wodę określamy mianem pary wodnej, a w stałym stanie skupienia - lodem. Potocznie często do każdego ze stanów skupienia odniosi się słowo woda....
[click for more] pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze poniżej 0°C jest ciałem stałym, w temperaturach od 0 do 100°C jest cieczą, a powyżej 100°C staje się gazem. Niektóre substancje w identycznych warunkach mogą występować w różnych stanach skupienia w zależności od wcześniejszych warunków jakie w nich panowały, lecz zazwyczaj jeden ze stanów jest uprzywilejowany i substancja może samorzutnie przejść do tego stanu

Fazy materii

Własności ciał w poszczególnych stanach zależą od układu cząsteczek (atomów) budujących to ciało. Z tego punktu widzenia ten stary podział jest prawdziwy tylko dla niektórych substancji, gdyż badania naukowe wykazały, że to co wcześniej uważano za jeden stan skupienia można w rzeczywistości podzielić na wiele faz materii, różniące się układem cząsteczek w ciele. Mogą nawet występować sytuacje w których istnieją w jednym ciele w jednym momencie, różne układy cząsteczek. W szczególności okazało się, że stały i ciekły stan skupienia może być realizowany na wiele różnych sposobów. Sposoby te są nazywane fazami materii. Ilość niezależnych składników, ilość faz w układzie oraz ilość zmiennych intensywnych (np. ciśnienie, temperatura), które można zmieniać bez jakościowej zmiany układu opisuje ważna reguła faz Gibbsa.

Zmiana fazy materii może wymagać, dostarczenia lub odebrania energii, wówczas ilość energii jest proporcjonalna do masy substacji zmieniajacej fazę, co można opisać wzorem:
$Q=m\cdot{L}$
zwanej też, ciepłem przemiany fazowej gdzie (m) masa, (L) jednostkowe ciepło przemiany fazowej.

Niektóre przemiany fazowe przebiegają bez dostarczenia lub odebrania energii, o zmianie fazy wnioskujemy na podstawie skokowej zmiany niektórych wielkośći opisujacych to ciało.

Opisem procesów zmian pomiędzy fazami zajmuje się teoria przejść fazowych zwana także czasem teorią zjawisk krytycznych.

Wykresy fazowe są często stosowaną w fizyce graficzną reprezentacją rzeczywistego fazowego zachowania się danej substancji. Mają one na osiach ciśnienie i temperaturę. Linie oznaczają warunki w których dochodzi do przemian fazowych, zaś obszary między nimi wyznaczają warunki, w których dana faza jest stablina.

W przypadku substancji składających się z jednego rodzaju atomów lub jednego rodzaju cząsteczek, które tak jak woda posiadają tylko trzy fazy - krystaliczną, ciekłą i gazową, wykres ten przybiera zazwyczaj następującą postać:

Strzałki przedstawiają przemiany fazowe:

S - sublimacja - przejście od fazy krystalicznej do gazowej
R - resublimacjaResublimacja – bezpośrednie przechodzenie substancji z fazy gazowej (pary) w fazę stałą (przejście fazowe). Resublimacja jest procesem odwrotnym do sublimacji. W wyniku resublimacji wody (pary wodnej) powstaje śnieg i szron....
[click for more] - przejście od fazy gazowej do krystalicznej
T - topnienieTopnienie - zjawisko fizyczne, polegające na przejściu substancji ze stanu stałego, w stan ciekły. Przy zjawisku topnienia należy pamiętać o odwracalności zjawisk w przyrodzie i łączyć je ze zjawiskiem krzepnięcia....
[click for more] - przejście z fazy krystalicznej (lub amorficznej) do fazy ciekłej
K - krzepnięcie - przejście od fazy ciekłej do fazy krystalicznej lub amorficznej
P - parowanieParowanie - proces przechodzenia fazy ciekłej danej substancji w fazę gazową (parę) zachodzący z reguły na powierzchni cieczy. Może odbywać się w całym zakresie ciśnień i temperatur, w których mogą współistnieć z sobą obie fazy, ale nasila się w wysokiej temperaturze. Proces parowania jest szybszy również gdy obniżymy ciśnienie zewnętrzne oraz gdy mamy do czynienia z przepływem gazu względem powierzchni cieczy. Parowanie zachodzi wtedy, gdy cząsteczka ma dostatecznie wysoką energ...
[click for more], wrzenie - przejście od fazy ciekłej do gazowej
Sk - skraplanieSkraplanie lub kondesacja to zjawisko przejścia substancji z fazy gazowej w fazę ciekłą. Skraplanie może zachodzić przy odpowiednim ciśnieniu i w temperaturze niższej od temperatury krytycznej. Zestaw parametrów; ciśnienie i temperatura, dla których rozpoczyna się proces skraplania nazywany jest punktem rosy....
[click for more] - przejście od fazy gazowej do ciekłej.

Nazwy przemian fazowych		Stan początkowy
Nazwy przemian fazowych		stały	ciekły	gazowyFaza gazowa to stan skupienia materii w którym ciało łatwo zmienia kształt i zajmuje całą dostępną mu przestrzeń. Własności te wynikają z własności cząsteczek. Cząsteczki w fazie gazowej mają pełną swobodę ruchu. Wszystkie one cały czas przemieszczają się po całej przestrzeni zajmowanej przez gaz i nigdy nie zatrzymują się w jednym miejscu. Między cząsteczkami nie występują żadne oddziaływania dalekozasięgowe, a jeśli to bardzo słabe. Jedyny sposób w jaki cząsteczki na s... [click for more]
Stan końcowy	stały		krzepnięcie	resublimacja
	ciekły	topnienie		skraplanie
	gazowy	sublimacja	parowanie

Dla substancji bardziej złożonych, lub zdolnych do tworzenia większej liczby faz, wykres ten przybiera często zupełnie inny kształt.

Poniższy diagram przedstawia stany równowagi faz dla roztworu węgla z żelazem, a właściwie z cementytem (węglikiem żelaza). Z wykresu tego wynika podział stopów żelaza na stal i żeliwo, oraz włąsności różnych gatunków stali. Każdy obszar odpowiada stanowi stabilnemu jednej z form, szybkie chłodzenie stali powoduje zachowanie układu cząsteczek fazy z wyższej temperatury w temperaturach pokojowych (tzw. hartowanie i obróbka cieplna stali).

Głębsze spojrzenie na stany skupienia

Nie każda zmiana "wyglądu" danej substancji musi od razu wiązać się z faktyczną zmianą fazy. Wiele substancji - zwłaszcza tych, które są mieszaninami różnych związków chemicznych, może występować na raz w dwóch lub więcej fazach. W substancjach takich występują wtedy tzw. domeny, czyli małe obszary różnych faz, które łącznie tworzą tzw. mikrostrukturę...
[click for more] danej substancji. Zjawisko to występuje np. w szkle oraz w stopach...
[click for more] metali, gdzie wstępują domeny fazy krystalicznej i fazy amorficznej.

W fizyce przyjmuje się, że dana substancja istnieje w dwóch różnych fazach gdy:

zmieniając ciśnienie lub temperaturę obserwuje się w pewnym momencie przemianę fazową. Przemiana ta musi się wiązać z mierzalną skokową zmianą entropii układu, wskazującą na to, że doszło do zasadnicznego jakościowego przeorganizowania się cząsteczek.
gdy ta sama substancja występująca na raz w dwóch fazach nie miesza się z sobą, tworząc tzw. granicę międzyfazową.

Aktualnie w fizyce przyjmuje się istnienie następujących faz:

a) fazy płynne - czyli takie które płyną, gdy poddaje się je siłom ścinającym.

plazma kwarkowa - hipotetyczny stan występujący, gdy ciśnienie jest na tyle duże, że w plaźmie neutronowej przestają istnieć neutrony jako oddzielne cząstki, a zlewają się w jedno. Stan ten występuje w gwiazdach dziwnych, są to gwiazdy o gęstości większej od gęstości gwiazdy neutronowej.
plazma neutronowa - jest to w zasadzie gaz, jednak składający się głównie z neutronów. Z plazmy tej zbudowane są gwiazdy neutronowe.
plazmaPlazma to gaz zjonizowanych cząstek o dużej koncentracji - współwystępują w nim zjonizowane atomy oraz elektrony, jednak cała objętość zajmowana przez plazmę z "globalnego" punktu widzenia jest elektrycznie obojętna. Plazma to czwarty stan skupienia materii. Występuje np. w materii, gdy ta jest doprowadzona do temperatury od 30 000 K do 1 000 000 K (wnętrza gwiazd).Przykładem plazmy może być ogień...
[click for more] - jest to w zasadzie gaz, ale tworzony przez silnie zjonizowane atomy/cząsteczki, oraz elektrony. Plazmę można wytwarzać w specjalnych urządzeniach, występuje ona także w jądrach większości gwiazd. W plaźmie czasteczki mają na tyle dużą energię, że zderzenia między cząsteczkami nie są sprężyste, dochodzi do wzbudzenia lub jonizacji cząsteczek, plazma przewodzi prąd elektryczny.
faza gazowa - całkowity brak organizacji - cząsteczki (lub atomy) mają pełną swobodę ruchu i nie występują między nimi żadne oddziaływania oprócz odpychania w momencie zderzeń i przyciągania grawitacyjnegoGrawitacja nazywana czasami ciążeniem powszechnym to jedno z oddziaływań podstawowych wyróżnianych przez fizykę. Oddziaływanie grawitacyjne jest zależne od masy posiadanej przez poszczególne ciała i od odległości między nimi....
[click for more] (które jest istotne dla zachowania się dużych obszarów gazu w przestrzeniach międzygwiezdych). Energia cząstek nie jest zbyt duża i dlatego zderzenia cząsteczek są sprężyste. W gazie mogą występować przyciągania między cząsteczkami gazu lecz energia tych oddziaływań jest mniejsza od energii kinetycznej cząsteczek.
faza nadkrytyczna - powstająca po przekroczeniu ciśnienia i temperatury punktu krytycznego. Faza ta posiada pośrednie własności między cieczą i gazem.
faza ciekła - istnieje przyciąganie międzyczasteczkowe powodujące, że cząsteczki pozostają blisko siebie ale zachowują swobodę ruchu. Oddziaływania te tworzą bliskozasięgowe i średniozasięgowe uporządkowanie w cieczy lub w roztworach. Przykładowo: oddziaływania dipolowe (odpowiedzialne za hydratację jonów w roztworze), siły Van der Waalsa oraz wiązania wodorowe. Istnienie tych oddziaływań powoduje powstawanie uporządkowanych struktur cząsteczek w cieczach, w szczególności w wodzie. Bez nich nie mogły by istnieć organizmy żywe.
- faza ciekła izotropowa - w fazie tej nie występuje żadne dalekozasięgowe uporządkowanie cząsteczek podobnie jak w gazach, choć mogą występować elementy uporządkowania krótkozasięgowego (w obrębie kilku-klikunastu cząsteczek).
- faza nadciekła - która różni się od zwykłej cieczy tym, że jej lepkość jest równa 0. Fazę nadciekłą tworzą substancje, które są wstanie utworzyć kondensat Bosego-Einsteina lub kondensat fermionów.
- ciekłe kryształy - są to wbrew nazwie ciecze, w których jednak istnieje częściowe dalekozasięgowe uporządkowanie cząsteczek. Obecnie znanych jest kilkadziesiąt różnych faz ciekłokrystalicznych, które różnią rodzajem tego dalekozasięgowego uporządkowania.

b) fazy stałe - czyli takie, które nie płyną - tzn. pod wpływem sił ścinających ulegają naprężeniom, a przy większych pękają lub płyną (plastyczne).

faza krystaliczna - w fazie tej cząsteczki są "zablokowane" i tworzą trwałe sieci.
kryształy plastyczne - w fazie tej cząsteczki są również zablokowane, ale mogą rotować wokół własnych osi.
kryształy condis - w fazie tej cząsteczki nie mogą się przemieszczać, ale mogą zmieniać w dość szerokim zakresie swoją konformacjęKonformacja - zdolność do przyjmowania przez jednakowe oprócz tego cząsteczki chemiczne różnych kształtów przestrzennych, bez zrywania wiązań chemicznych. Zdolność do przyjmowania różnych konformacji przez cząsteczki można sobie wyobrazić na przykładzie zmian kształtu zwykłego metalowego łańcucha. Łańcuch może być np: wyprostowany, zwinięty w kulkę, lub nawet zapętlony bez konieczności zrywania i ponownego łączenia poszczególnych jego ogniw....
[click for more].
faza amorficznaCiało amorficzne (ciało bezpostaciowe) - stan skupienia materii charakteryzujący się własnościami reologicznymi zbliżonymi do ciała krystalicznego, ale niewykazujący dalekozasięgowego uporządkowania cząsteczek. Ciało będące w stanie amorficznym jest ciałem stałym (tzn. nie może płynąć), ale tworzące je cząsteczki nie wykazują dalekozasięgowego uporządkowania charakterystycznego dla kryształów, lecz są ułożone sposób dość chaotyczny, bardziej zbliżony do spotykanego w ciecz...
[click for more] - w fazie tej cząsteczki nie tworzą sieci krystalicznej, ale oddziaływania między nimi są na tyle silne, że nie mogą się one swobodnie przemieszczać względem siebie. Czasami fazę amorficzną nazywa się też "superlepką" cieczą lub cieczą "zamrożoną"

Obecnie znane stany skupienia

Zobacz też: reologia, układ koloidalny.

Kategorie stron: Fizyka | ChemiaChemia to nauka zajmująca się prawami, według których atomy łączą się w trwałe struktury powiązane wiązaniami chemicznymi zwane związkami chemicznymi oraz przemianami jednych związków w drugie na drodze reakcji chemicznych. Chemia zajmuje się także rozmaitymi własnościami substancji wynikającymi bezpośrednio z ich budowy atomowej....
[click for more]