Fáze (vadit)
Ve fyzikálních vědách, fáze je soubor států macroscopic fyzický systém to mají relativně jednotné chemické složení a fyzikální vlastnosti (i. e. hustota, struktura krystalu, index lomu, a tak dále.) nejznámější příklady fází jsou pevné látky, kapaliny, a plyny. Méně známých fází zahrnuje plasmas a Bose-Einstein condensates, a paramagnetický a ferromagnetic fáze magnetický materiály.
Fáze jsou někdy nazvané stavy záležitosti, ale tento termín může vést ke zmatku s thermodynamic státy. Pro příklad, dva plyny udržované u různých tlaků jsou v různý thermodynamic státy, ale stejný " stav záležitosti ". Definice
Ačkoli fáze jsou pojmově jednoduché, oni jdou těžko definovat přesně. Dobrá definice fáze systému je oblast v parametrové době systému je thermodynamic proměnné ve kterém volná energie je analytický. Equivalently, dva stavy systému jsou ve stejné fázi jestliže oni mohou být přeměněni do každého jiný bez náhlých změn v některém jejich thermodynamic vlastnosti.
Celá thermodynamic vlastnosti systému -- entropie, tepelná kapacita, magnetizace, stlačitelnost, a tak dále -- smět být vyjádřen v podmínkách volné energie a jeho derivátů. Pro příklad, entropie je jednoduše první derivát volné energie s teplota. Jak dlouho jak volná energie zůstane analytická, celá thermodynamic vlastnosti budou být vychované.
Když systém jde od jedné fáze k jinému, tam chtít obecně být stádium kde volná energie je non-analytický. Toto je znáno jak přechod fáze. Známé příklady přechodů fáze tají (pevná látka k kapalině), mrazit (kapalinu k pevné látce), vařit (kapalinu k plynu) a kondenzaci (plyn k kapalině). Náležitý k tomuto non-analyticity, volné energie na obou stranách přechodu jsou dvě odlišné funkce, tak jeden nebo více thermodynamic vlastnosti budou chovat se velmi rozdílně po přechodu. Vlastnictví nejvíce obyčejně zkoumal v tomto kontext je tepelná kapacita. Během přechodu, tepelná kapacita může stát se nekonečná, skok neočekávaně k různé hodnotě nebo exponátu " uzel " nebo nesouvislost v jeho derivátu.
Možné grafy tepelné kapacity (C) proti teplotě (T) u přechodu fáze.
V praxi, každý druh fáze je rozlišován handful významný thermodynamic vlastnosti. Pro příklad, charakteristický rys pevné látky je jeho tuhost; unlike kapalina nebo plyn, pevná látka dělá ne snadno změnit jeho podobu. Kapaliny jsou odlišné od plynů, protože oni mají hodně nižší stlačitelnost: plyn umístěný ve velkém kontejneru se rozpíná vyplnit nádobu, zatímco kapalina tvoří louži ve dně nádoby. Ne všechny vlastnosti pevných látek, kapaliny a plyny jsou zřetelní; pro příklad, to není užitečné porovnat jejich magnetické vlastnosti. Na druhé straně, ferromagnetic fáze magnetického materiálu je rozlišil od paramagnetické fáze přítomností hromadné magnetizace bez aplikovaného magnetického pole.
Fáze jsou emergent jevy produkovaly self-organizace macroscopic množství částeček. Typické vzorky záležitosti, pro příklad, obsahovat asi 1023 částečky (Avogadro je číslo). V systémech, které jsou příliš malé -- a dokonce, říkat, tisíc atomy -- rozdíl mezi fázemi mizí, od vzhledu non-analyticity ve volné energii vyžaduje obrovský, formálně nekonečný, množství částeček být přítomný.
Jeden by mohl se zeptat proč skutečné systémy vystavují fáze od té doby, co oni nejsou vlastně nekoneční. Důvod je to skutečné systémy obsahují thermodynamic fluktuace. Když systém je daleko od přechodu fáze, tyto fluktuace jsou nedůležité, ale jak to se blíží k přechodu fáze, fluktuace začnou růst ve velikosti (i. e. prostorový rozsah). U ideálního přechodového bodu, jejich velikost by byla nekonečná, ale předtím to může stát se fluktuace chtějí se stáli jak velký jako systém sám. V tomto režimu, " konečný-velikost " efekty vstoupí do hry a my jsme neschopní přesně předvídat chování systému. Tak, zavádí skutečný systém být jen přesně stanovený pryč od přechodů fáze, a jak daleký pryč to potřebuje být je závislý na velikosti systému.
Tam je důsledek k emergent povaha jevů fáze, známý jako princip univerzálnost. Vlastnosti fází jsou velmi nezávislé na fundamentální mikroskopické fyzice, tak to stejný druhy fází vyvstávají v široké rozmanitosti systémů. Toto je známá životní pravda. My víme to, pro příklad, to vlastnost, která definuje pevnou látku -- odpor vůči deformaci -- je vystaven materiály jak různorodý jak železo, led, a Hloupý kyt. Jediné rozdíly jsou věci měřítka. Železo může se bránit deformaci více silně než hloupý kyt, ale oba uchovají jejich tvar jestliže použité síly nejsou příliš silné.
Různé fáze systému mohou být reprezentoval používání diagram fáze. Osy diagramů jsou významný thermodynamic proměnné. Pro jednoduché mechanické systémy, my obecně použití tlak a teplota. Následující číslo ukáže fázový diagram pro typickou materiální vystavující pevnou látku, kapalinu a plynné fáze.
Typický fázový diagram.
Známkování na diagramu fáze ukazují body kde volná energie je non-analytický. Nezastavěné prostory, kde volná energie je analytická, odpovídat fázím. Fáze jsou odděleny linkami non-analyticity, kde přechody fáze nastanou, který být volán hranice fáze.
V nad diagramem, fázovou hranicí mezi kapalinou a plynem nepokračuje indefinitely. Místo toho, to skončí u bodu na fázi diagram volal kritický bod. Toto odráží skutečnost, že, u extrémně vysokých teplot a tlaky, kapalina a plynné fáze stanou se nerozeznatelní. Ve vodě, kritický bod nastane u asi 647 K (374 ° C nebo 705 ° F) a 22.06 4 MPa.
Existence kapaliny-plynový kritický bod odhalí nepatrnou dvojznačnost v naše nad definicemi. Když jde od kapaliny ke plynné fázi, jeden obvykle překročí fázovou hranici, ale to je možné si vybrat cestu, která nikdy překročí hranici tím, že jde do pravice kritického bodu. Tak, fáze mohou někdy míchat nepřetržitě do každého jiný. My měla by poznámka, nicméně, to toto vždy se nestane. Pro příklad, to je nemožné pro pevnou látku-kapalná fázová hranice skončit kritickým bodem stejně jak kapalinou-hranice plynu, protože pevné a kapalné fáze mají různý symetrie.
Zajímavá věc k poznámce je to pevná látka-kapalina zavádět hranici diagram fáze většina substancí, takový jak jeden ukázaný nahoře, má pozitivní svah. Toto je náležité k pevné fázi mít vyšší hustotu než kapalina, tak to zvyšovat tlakové růsty teplota tání. Nicméně, v diagramu fáze pro voda pevná látka-kapalná fázová hranice má negativní svah. Toto odráží skutečnost, že led má nižší hustotu než voda, který je neobvyklá vlastnost pro materiál.
Mnoho substancí může existovat v paletě fází pevné látky každý odpovídající jedinečné krystalové struktuře. Tyto rozlišné krystalové fáze stejné substance jsou volány polymorphs. Diamond a tuha jsou příklady polymorphs uhlík. Tuha je složena z vrstev hexagonally uspořádal atomy uhlíku, ve kterém každý atom uhlíku je silně svázán ke třem sousedním atomům ve stejné vrstvě a je slabě skákat k atomům v sousedních vrstvách. Kontrastem v diamantu každý atom uhlíku je silně svázán ke čtyřem sousedním atomům uhlíku v kubické sadě. Jedinečné krystalové struktury tuhy a diamantu jsou zodpovědné za mnohem různé vlastnosti těchto dvou materiálů.
Každý polymorph dané substance je obvykle jediná stáj přes specifický rozsah podmínek. Pro příklad, diamant je jediná stáj u extrémně vysokých tlaků. Tuha je stálá forma uhlíku u normálních atmosferických tlaků. Ačkoli diamant není stabilní u atmosferických tlaků a should přeměnit k tuze, my víme, že diamanty existují u těchto tlaků. Toto je, protože u normálních teplot transformace od diamantu k tuze je extrémně pomalu. Jestliže my jsme měli ohřívat diamant, cena transformace by se zvyšovala a diamant by se stal tuhou. Nicméně, u normálních teplot diamant může přetrvávat pro velmi dlouhý čas. Non-fáze rovnováhy jako diamant to existovat na dlouho časová období jsou řekl, aby byl metastable.
Další důležitý příklad metastable polymorphs nastane během zpracování ocel. Oceli jsou často vystaveny k paletě teplotních léčeb navržených k produkčním různým kombinacím stáje a metastable fáze železa. Tímto způsobem vlastnosti oceli, takový jak tvrdost a síla mohou být nastaveni tím, že řídí množství příbuzného a krystalové velikosti různých fází, které se tvoří.
Různé části systému mohou existovat v různých fázích, v takovém případě fáze jsou obvykle odděleny povrchy hranice.
Gibbs ' pravidlo fáze popisuje množství fází, které mohou být přítomné u rovnováha pro daný systém u různých podmínek. Pravidlo fáze ukáže, že pro jediný komponentní systém u většiny tří fází (obvykle plyn, kapalný a pevný) moci koexistovat v rovnováze. Tři fáze mohou všichni koexistují jen u jediné specifické teploty a tlaku, charakteristický pro materiál, nazvaný trojitý bod. Podmínky kde dvě fáze stanou se nerozeznatelné je volán kritický bod. Pravidlo fáze také ukáže, že dvě fáze mohou jen koexistovat u rovnováhy pro specifické kombinace teploty a tlaku. Pro příklad pro kapalinu-systém plynu jestliže tlak páry je nižší než to odpovídající teplotě, systém nebude být u rovnováhy, poněkud kapalina bude inklinovat vypařovat se, než tlak páry dosáhne na vhodnou úroveň nebo všichni kapaliny je konzumován. Podobně, jestliže tlak páry je příliš velký pro danou teplotu kondenzace nastane.
Pro případ multi-komponentní systémy pravidlo fáze ukáže, že další fáze jsou možné. Obyčejný příklad tohoto se vyskytuje v směsech vzájemně neřešitelných substancí takový jak voda a olej. Jestliže málo kapek oleje je nalito do čisté vody, tam bude malé množství smíchat, ale tam bude být dvě zřetelné fáze: jeden primárně olejovat a jiný primárně vlhnout. Přesné složení fází bude být funkce teploty a tlaku ale ne funkce množství oleje. To může být možné měnit teplotu takový to jeden z fází mizí: pro příklad, jestliže směsice je ohřívána, to je možné, že u nějaké teploty, všichni oleje je rozpuštěn ve vodě. Nad touto teplotou je tam jen jeden fáze, a složení fáze laně záviset na jak hodně oleje bylo vloženo.
Oddělení fáze může také existovat ve dvou rozměrech. Hranice mezi fázemi, povrchy materiálů a hranicemi zrna mezitím různý crystallographic orientace jediného materiálu mohou také ukazovat zřetelné fáze. Pro příklad, rekonstrukce povrchu na kov a polovodič povrchy jsou dvě rozměrné fáze.