Fazni dijagram

S Vikipedije, slobodne enciklopedije
Fazni dijagram vode

Fazni dijagram je pomoćno sredstvo u hemiji, fizici, a posebno u nauci o materijalima i metalurgiji za šematski dvodimenzionalni ili multidimenzionalni prikaz rasporeda i međusobnog odnosa faza jednog multikomponentnog sistema (tečnog ili čvrstog rastvora dve ili više supstanci). Oblast termodinamike koja se bavi izučavanjem ponašanja višekomponentnih sistema u zavisnosti od pritiska, temperature i sastava naziva se: heterogene ravnoteže.

Pregled[uredi | uredi izvor]

Uobičajene komponente faznog dijagrama su linije ravnotežnih ili faznih granica, koje se odnose na linije koje označavaju uslove pod kojima višestruke faze mogu da koegzistiraju u ravnoteži. Fazni prelazi se odvijaju duž ravnotežnih linij.

Trostruke tačke su tačke na faznim dijagramima gde se presecaju ravnotežne linije. Trostruke tačke označavaju uslove u kojima mogu postojati tri različite faze. Na primer, dijagram vodene faze ima trostruku tačku koja odgovara pojedinačnoj temperaturi i pritisku na kojoj čvrsta, tečna i gasovita voda mogu da koegzistiraju u stabilnoj ravnoteži (273,16 K i parcijalni pritisak pare od 611,657 Pa).

Solidus je temperatura ispod koje je supstanca stabilna u čvrstom stanju. Likvidus je temperatura iznad koje je supstanca stabilna u tečnom stanju. Može postojati jaz između solidusa i likvidusa; unutar praznine, supstanca se sastoji od mešavine kristala i tečnosti.[1]

Radni fluidi se često kategorizuju na osnovu oblika njihovog faznog dijagrama.

Generalna podela[uredi | uredi izvor]

Postoji mnogo podela faznih dijagrama, jedna od najopštijih je ona na ravnotežne i neravnotežne fazne dijagrame. Ako je sistem u ravnoteži, odnosno ako su sve fazne transformacije u ekvilibrijumu (ravnoteži), onda govorimo o tzv. ravnotežnom faznom dijagramu. Da bi se postigla istinska ravnoteža, sistemu je u principu potrebno beskonačno vreme. Kako je besmisleno čekati da se postignu apsolutne ravnoteže faza u sistemu, pri merenju tačaka na faznom dijagramu najčešće se koriste razumna vremena koja dozvoljavaju, sa jedne strane smisaonost postupka, a sa druge strane približavanje ravnotežnom stanju.

Tipovi[uredi | uredi izvor]

Dvodimenzioni dijagrami[uredi | uredi izvor]

Tipični fazni dijagram. Puna zelena linija se odnosi na većinu supstanci; isprekidana zelena linija daje anomalno ponašanje vode. Zelene linije označavaju tačke smrzavanja i plava liniju tačke ključanja, pokazujući kako se one menjaju sa pritiskom.

Najjednostavniji fazni dijagrami su dijagrami pritiska i temperature pojedinačne jednostavne supstance, kao što je voda. Ose odgovaraju pritisku i temperaturi. Fazni dijagram pokazuje, u prostoru pritiska i temperature, linije ravnotežnih ili faznih granica između tri faze čvrste, tečne i gasne.

Krive na faznom dijagramu pokazuju tačke gde slobodna energija (i druge izvedene osobine) postaje neanalitička: njihovi derivati u odnosu na koordinate (temperatura i pritisak u ovom primeru) se diskontinuirano (naglo) menjaju. Na primer, toplotni kapacitet kontejnera napunjenog ledom će se naglo promeniti kada se kontejner zagreje izvan tačke topljenja. Otvoreni prostori, gde je slobodna energija analitička, odgovaraju jednofaznim regionima. Jednofazni regioni su odvojeni linijama neanalitičkog ponašanja, gde se odvijaju fazni prelazi, koji se nazivaju faznim granicama.

Na dijagramu sa desne strane, fazna granica između tečnosti i gasa se ne prostire do beskonačnosti. Umesto toga, ona se okončava u tačci na faznom dijagramu koja se naziva kritičnom tačkom. To odražava činjenicu da pri ekstremno visokim temperaturama i pritiscima, tečna i gasna faza postaju nerazlučive,[2] u takozvanom superkritičnom fluidu. U vodi, kritična tačka se javlja oko Tc = 647,096 K (373,946 °C), pc = 22,064 MPa (217,75 atm) i ρc = 356 kg/m³.[3]

Za većinu supstanci, granica tečne i čvrste faze (ili fuziona kriva) u faznom dijagramu ima pozitivan nagib tako da tačka topljenja raste sa pritiskom. Ovo je tačno kad god je čvrsta faza gušća od tečne faze.[4] Što je veći pritisak na datoj supstanci, to su molekuli supstance bliži jedni drugima, čime se povećava efekat intermolekularnih sila supstance. Stoga je supstanci neophodna viša temperaturu da bi njeni molekuli imali dovoljno energije da izađu iz fiksnog obrasca čvrste faze i uđu u tečnu fazu. Sličan koncept se primenjuje na promene faze tečnosti i gasa.[5]

Voda je izuzetak, te ima granicu između čvrste i tečne faze sa negativnim nagibom, tako da tačka topljenja opada sa pritiskom. Ovo se dešava zato što je led (čvrsta voda) manje gusta od tečne vode, što pokazuje činjenica da led pluta na vodi. Na molekularnom nivou, led je manje gust, jer ima opsežniju mrežu vodoničnih veza koja zahteva veće odvajanje molekula vode.[4] Drugi izuzeci su antimon i bizmut.[6][7]

Vrednost nagiba dP/dT je data Klapejronovom jednačinom za fuziju (topljenje)[8]

gde je ΔHfus toplota fuzije koja je uvek pozitivna, a ΔVfus je promena zapremine pri fuziji. Za većinu supstanci ΔVfus je pozitivno tako da je nagib pozitivan. Međutim za vodu i druge izuzetke, ΔVfus je negativno tako da je nagib negativan.

Druga termodinamička svojstva[uredi | uredi izvor]

Pored temperature i pritiska, mogu se grafički prikazati i druge termodinamičke osobine. Primeri takvih termodinamičkih svojstava uključuju specifičnu zapreminu, specifičnu entalpiju ili specifičnu entropiju. Na primer, jednokomponentni grafovi temperature u odnosu na specifičnu entropiju (T vs. s) za vodu/paru ili za rashladno sredstvo obično se koriste za ilustraciju termodinamičkih ciklusa kao što je Karnotov ciklus, Rankinov ciklus ili ciklus hlađenja kompresijom pare.

Bilo koje dve termodinamičke veličine mogu biti prikazane na horizontalnoj i vertikalnoj osi dvodimenzionalnog dijagrama. Dodatne termodinamičke veličine mogu biti ilustrovane u uvećanjima kao niz linija - zakrivljenih, pravih ili njihovih kombinacija. Svaka od tih izo- linija predstavlja termodinamičku količinu na određenoj konstantnoj vrednosti.

Fazni dijagram zavisnosti temperature od specifične entropije za vodu/paru. U oblasti ispod crvene krive, koegzistiraju tečna voda i para u ravnoteži. Kritična tačka je na vrhu kupole. Tečna voda je levo od kupole, a para je desno. Plave linije/krive su izobare koje prikazuju uslove konstantnog pritiska. Zelene linije/krive su izohore koje prikazuju uslove konstantne specifične zapremine. Crvene krive prikazuju pokazuju konstantan kvalitet.
dijagram entalpija–entropija (h–s) za paru dijagram pritisak–entalpija (p–h) za paru dijagram temperatura–entropija (T–s) za paru

Trodimenzioni dijagrami[uredi | uredi izvor]

p–v–T 3D dijagram za fiksnu količinu čistog materijala.
3D fazni dijagram vodenih fluida i odabranog leda

Moguće je predvideti trodimenzionalne (3D) grafikone koji pokazuju tri termodinamičke veličine.[9][10] Na primer, za pojedinačnu komponentu, grafikon 3D kartezijanskog tipa može prikazati temperaturu (T) na jednoj osi, pritisak (p) na drugoj osi i specifičnu zapreminu (v) na trećoj. Takav 3D grafikon se ponekad naziva p–v–T dijagramom. Ravnotežni uslovi su prikazani kao krive na zakrivljenoj površini u 3D sa površinama za čvrste, tečne i parne faze i oblasti gde čvrsta i tečna faza, čvrsta faza i para, ili tečnost i para koegzistiraju u ravnoteži. Linija na površini koja se zove trostruka linija je mesto gde čvrsta, tečna i para mogu da koegzistiraju u ravnoteži. Kritična tačka ostaje tačka na površini čak i na 3D faznom dijagramu.

Za vodu, 3D p–v–T je prikazan ovde (s leve strane).[11] Ortogonalna projekcija trodimenzionalnog p–v–T grafikona koji prikazuje pritisak i temperaturu na vertikalnoj i horizontalnoj osi kolapsira 3D grafik u standardni 2D dijagram pritiska i temperature. Kada se to uradi, površine čvrste faze i pare, čvrste i tečne faze, i tečnosti i pare se kolapsiraju u tri korespondirajuće krive koje se sastaju u trostrukoj tačci, što je kolapsirana ortografska projekcija trostruke linije.

Eksperimentalno i računsko određivanje[uredi | uredi izvor]

CALPHAD - CALculation of PHAse Diagrams[uredi | uredi izvor]

Trenutno, jedino računski određeni fazni dijagrami, metodom engl. CALPHAD - CALculation of PHAse Diagrams, su približni istinskim ravnotežnim faznim dijagramima, koji pak u realnom svetu kao takvi ne postoje. Treba naglasiti da CALPHAD metod ne funkcioniše bez eksperimentalno izmerenih termodinamičkih podataka, pošto radi na principu interpolacije eksperimentalnih tačaka uz pomoć odgovarajućih modela koja opisuju fazne ravnoteže. Za sisteme u kojima nema dovoljno izmerenih termodinamičkih podataka ni računska metoda, naravno, ne funkcioniše.

Druga, ali i najčešća podela je na osnovu broja komponeneta u sistemu, na binerne (dve komponete), ternerne (tri komponente), kvaternerne (tri komponente) i multinerne (više od četiri komponente). Odnos faznih oblasti na faznom dijagramu definisan je Gibsovim pravilom faza, sa izuzetkom ekstremnih tačaka gde se primenjuje i Konovalovo pravilo.

Ab - initio[uredi | uredi izvor]

Alternativa eksperimentalnm određivanju termodinamički podataka je tzv. Ab-inicio lat. ab initio metoda. Ab - initio prevedeno na nas jezik znači prvi princip, odnosno da je metoda zasnovana na osnovnim principima. Ti principi su principi kvantne mehanike i molekularne dinamike i ne zahtevaju eksperimentalne podatke. Polazna tačka su elektronske konfiguracije atoma definisane osnovnim setovima (engl. basis sets) ili pseudopotencijalima (engl. pseudopotentials). Rešavanje talasne funkcije odvija se iterativnim putem tzv. samo konzistentnim metodom engl. SCF-(engl. Self Consistent Field). Postije dva tipa Hamiltonijana koja se onda mogu rešiti engl. SCF metodom, to su Hartre-Fok (engl. Hartree-Fock) i DFT (engl. Density Functional Theory). Hartre-Fok metoda se zasniva na posledici Born-Openhajmerove aproksimacije koja pak kaže da je u osnovi moguće bez velike greške u računici odvojeno tretirati kretanje protona i elektrona. Aproksimacija je zasnovana na činjenici da elektron, zbog svoje relativno male mase u odnosu na proton (1840 puta manji), skoro trenutno reaguje na pomeranje protona. Hartre-Fok tretira egzaktno odnos elektron-proton ali ne i međudejstvo elektro-elektron. DFT za razliku od Hartre-Fok metode, tretira u velikoj meri i međusobno dejstvo elektron-elektron (engl. correlation).

Primena[uredi | uredi izvor]

Računski fazni dijagrami se u većini slučaja poklapaju (uz određenu grešku koja je inače mera neidealnosti postignute ravnoteže) sa eksperimentalno određenim faznim dijagramima. Pogotovo je njihova uloga velika u ekstrapolaciji podataka za oblasti faznog dijagrama u kojima nema eksperimentalnih merenja. Nauka koja je prva razvila i primenila fazne dijagrame bila je metalurgija, zbog izuzenog značaja faznog dijagrama u proizvodnji i preredi gvožđa i čelika. Kuriozitet je u tome da je upravo fazni dijagram koji opisuje čelik, jedan od eklatantnih primera neravnotežnog faznog dijagrama.

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Predel, Hoch & Monte 2004
  2. ^ Papon, Leblond & Meijer 2002
  3. ^ The International Association for the Properties of Water and Steam "Guideline on the Use of Fundamental Physical Constants and Basic Constants of Water", 2001, p. 5
  4. ^ a b Whitten, Kenneth W.; Galley, Kenneth D.; Davis, Raymond E. (1992). General Chemistry. (4th izd.). Saunders College Publishing. str. 477. 
  5. ^ Dorin, Henry; Demmin, Peter E.; Gabel, Dorothy L. (1992). Chemistry: The Study of Matter Prentice (Fourth izd.). Prentice Hall. str. 266-273. ISBN 978-0-13-127333-7. 
  6. ^ Averill, Bruce A.; Eldredge, Patricia (2012). „11.7 Phase Diagrams”. Principles of General Chemistry. Creative Commons. 
  7. ^ Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Herring, F. Geoffrey (2002). General Chemistry. Principles and Modern Applications (8th izd.). Prentice Hall. str. 477. 
  8. ^ Laidler, Keith J.; Meiser, John H. (1982). Physical Chemistry. Benjamin/Cummings. str. 173—4. 
  9. ^ Zemansky, Mark W.; Dittman, Richard H. (1981). Heat and Thermodynamics (6th izd.). McGraw-Hill. Figs. 2-3, 2-4, 2-5, 10-10, P10-1. ISBN 978-0-07-072808-0. 
  10. ^ Web applet: 3D Phase Diagrams for Water, Carbon Dioxide and Ammonia. Described in Glasser, Leslie; Herráez, Angel; Hanson, Robert M. (2009). „Interactive 3D Phase Diagrams Using Jmol”. Journal of Chemical Education. 86 (5): 566. doi:10.1021/ed086p566. 
  11. ^ David, Carl (8. 08. 2016). „Verwiebe's "3-D" Ice phase diagram reworked”. Chemistry Education Materials. 

Literatura[uredi | uredi izvor]

Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]

Fazni dijagram na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Фазни_дијаграм&oldid=27553609”