Termodynamisk fas är en homogen del av ett heterogent system , begränsad av gränssnittet [1] [2] . Mindre strikt, men tydligare, är en fas en homogen del av systemet, separerad från resten av delarna av ett synligt [3] gränssnitt [4] , på vilket alla egenskaper hos fasen [5] ändras abrupt , till exempel , densitet , sammansättning, optiska egenskaper. I det här fallet anses uppsättningen av individuella homogena delar av systemet med samma egenskaper som en fas (till exempel en uppsättning kristaller av ett ämne eller en uppsättning vätskedroppar, svävande i gasen och utgör dimma ) [6] . Varje fas i systemet kännetecknas av sin egen tillståndsekvation [4] .
När den passerar genom gränsytan ändras åtminstone en termodynamisk egenskap hos ämnet abrupt [1] [7] . Ofta (men inte alltid) är gränssnittet synligt för blotta ögat.
Ett homogent system innehåller endast en fas; ett heterogent system består av två eller flera faser [8] . Is- vatten - fuktluftsystemet är ett heterogent trefassystem. I ett enkomponentsystem kan olika faser representeras av olika aggregattillstånd eller olika polymorfa modifieringar av ett fast ämne (rhombiskt och monokliniskt svavel , grått och vitt tenn , etc.) [1] . Antalet faser i ett heterogent system följer Gibbs fasregel .
I ett flerkomponentsystem kan faser ha olika sammansättning och struktur. I alla fall, om det finns en fasseparation, antyds det i princip att ett ämne kan passera från en fas till en annan. Ett flerfassystem är i termodynamisk jämvikt om alla dess faser är i mekanisk , termisk och fasjämvikt med varandra.
En gas består nästan alltid av en fas [K 1] , en vätska kan bestå av flera vätskefaser med olika sammansättning ( segregering , vätskeoblandbarhet ), men två olika vätskor av samma sammansättning kan inte samexistera i jämvikt ( flytande helium är ett undantag) . Ett ämne i fast tillstånd kan bestå av flera faser, av vilka några kan ha samma sammansättning men en annan struktur ( polymorfa modifieringar, allotropi ).
Olika faser har olika molekylära packningsalternativ (för kristallina faser, olika kristallgitter), och följaktligen deras egna karakteristiska värden för kompressibilitetskoefficienten, termisk expansionskoefficient och andra egenskaper. Dessutom kan olika faser ha olika elektriska (ferroelektriska), magnetiska (ferromagneter) och optiska egenskaper (till exempel fast syre).
På fasdiagrammet för ett ämne upptar olika termodynamiska faser vissa områden. Linjerna som separerar olika termodynamiska faser kallas fasövergångslinjer . Om ett ämne befinner sig under förhållanden som motsvarar en punkt inuti något område, så är det helt i denna termodynamiska fas. Om tillståndet för ett ämne motsvarar en punkt på en av fasövergångslinjerna, så kan ämnet i termodynamisk jämvikt vara delvis i en och delvis i en annan fas. Andelen två faser bestäms som regel av den totala energi som systemet lagrar.
Med en långsam förändring i tryck eller temperatur beskrivs ämnet av en rörlig punkt på fasdiagrammet. Om denna punkt i dess rörelse korsar en av linjerna som separerar de termodynamiska faserna, inträffar en fasövergång , där ämnets fysikaliska egenskaper förändras abrupt.
Alla faser är inte helt separerade från varandra av en fasövergångslinje. I vissa fall kan den här linjen gå sönder och sluta med en kritisk punkt . I det här fallet är en gradvis snarare än abrupt övergång från en fas till en annan möjlig, som går förbi raden av fasövergångar.
Punkten på fasdiagrammet där de tre fasövergångslinjerna konvergerar kallas trippelpunkten . Vanligtvis förstås trippelpunkten för ett ämne som ett specialfall när linjerna för smältning, kokning och sublimering konvergerar, men det kan finnas flera trippelpunkter på tillräckligt rika fasdiagram. Ett ämne i en trippelpunkt i ett tillstånd av termodynamisk jämvikt kan delvis vara i alla tre faserna. På flerdimensionella fasdiagram (det vill säga om andra intensiva mängder är närvarande utöver temperatur och tryck), kan fyrdubbla och andra punkter existera.
Uppsättningen av termodynamiska faser av ett ämne är vanligtvis mycket rikare än uppsättningen av aggregattillstånd , det vill säga samma aggregattillstånd för ett ämne kan vara i olika termodynamiska faser. Det är därför beskrivningen av materia i termer av aggregerade tillstånd är ganska grov, och den kan inte skilja mellan några olika fysiska situationer.
En rik uppsättning termodynamiska faser är som regel associerad med olika ordningsalternativ som är tillåtna i ett visst aggregeringstillstånd.
Fasseparation - omvandlingen av ett homogent system till ett två- eller flerfas - används ofta inom vetenskap och teknik.
Kristallisering gör det möjligt att få rena ämnen.
Vid höga tryck kan ett sådant fenomen som stratifiering i gas-gassystemet observeras. Möjligheten av förekomsten av en heterogen jämvikt i en gasblandning över den kritiska temperaturen påpekades av van der Waals , och sedan analyserades detta fenomen av Kamerling-Onnes och Keesom . Experimentellt bevis på närvaron av ett sådant fenomen erhölls först med exemplet med ammoniak - kvävesystemet 1941. Initialt antogs det att begränsad ömsesidig löslighet endast observerades i gasblandningar innehållande en polär komponent ( ammoniak , vätesulfid ). Separationen av blandningar av helium - koldioxid , helium- etylen och helium- propan etablerades dock senare . I helium-etensystemet bekräftades förekomsten av en fasseparationsyta med begränsad ömsesidig löslighet av gaser genom visuella observationer och fotografering av menisken mellan de två gasfaserna.
När en blandning av gaser separeras, observeras ibland det så kallade barotropa fenomenet - en förändring på platser av två samexisterande faser med ökande tryck. Till exempel, i det binära systemet NH 3 (l.) - N 2 (g.), har fasen som är rikare på ammoniak en högre densitet. Men när blandningen separerar (90 °C, 1800 vid (~1,84 kbar)) har fasen som är rikare på ammoniak redan en lägre densitet och stiger [10] .
| Materias termodynamiska tillstånd | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fas tillstånd |
| ||||||||||||||||
| Fasövergångar |
| ||||||||||||||||
| Dispergera system | |||||||||||||||||
| se även | |||||||||||||||||