Phasendiagrammer

E Drock–Temperatur-Diagramm liesen

Stabilitéitsberäicher

An engem Beräich ass eng Phas ënner de gewielte Bedéngungen thermodynamesch stabil. Eng Grenz steet fir Bedéngungen, bei deenen zwou Phasen am Gläichgewiicht zesumme bestoe kënnen. D’Diagramm seet net, wéi séier dëst Gläichgewiicht erreecht gëtt.

Op enger Koexistenzgrenz hunn déi zwou Phasen fir d’betraffe Substanz datselwecht chemescht Potenzial. Eng ganz kleng Ännerung vun T oder P kann eng Phas stabiler maachen. Eng Grenzlinn ass also keng “Zwëschephas”, mee d’Gesamtheet vun de Bedéngungen, bei deenen zwou Phasen am Gläichgewiicht bestoe kënnen.

E Wee verfollegen

Erhëtze bei konstantem Drock entsprécht, wann d’Temperatur op der x-Achs läit, engem horizontalen Wee. Kompriméiere bei konstanter Temperatur ass vertikal. All iwwerschratt Grenz markéiert eng méiglech Phaseniwwergang am Gläichgewiicht.

De Wee am Diagramm ënnerscheet och Sublimatioun vu Schmëlzen mat uschléissender Verdampfung. Ënner dem Drock vum Dräifachpunkt kann d’Erhëtze vun engem Feststoff direkt an de Gasberäich féieren; doriwwer kann de Wee fir d’éischt d’Fest–Flësseg- an duerno d’Flëssegkeet–Damp-Grenz schneiden.

Dräifachpunkt a kritesche Punkt

Dräifachpunkt

Um Dräifachpunkt koexistéiere fest, flësseg a Gas. Bei enger rengem Substanz fixéiert d’Koexistenz vun dräi Phasen Temperatur an Drock; et ass e Punkt an net e breede Beräich.

Kritesche Punkt

D’Flëssegkeet–Damp-Grenz hält um kritesche Punkt op. Doriwwer gëtt et keng schaarf Gläichgewiichtsgrenz méi tëscht Flëssegkeet a Gas; et läit e superkritesche Fluid vir, deem seng Eegeschafte kontinuéierlech änneren.

Den Dräifachpunkt ass eng präzis definéiert thermodynamesch Bedéngung. De kritesche Punkt ass eppes anescht: hien ass d’Enn vun der Flëssegkeet–Damp-Koexistenzkurv, wou d’Eegeschafte vun deenen zwou Phasen kontinuéierlech méi ähnlech ginn. Doriwwer huet eng schaarf Flëssegkeet–Gas-Grenz keng Bedeitung méi.

Waasser a Kuelendioxid

Waasser

D’Fest–Flësseg-Grenz vum Waasser huet ënner übleche Bedéngungen eng negativ Steigung, well Äis manner dicht ass wéi flëssegt Waasser. Méi héijen Drock favoriséiert d’Phas mat méi klengem Volume, hei d’Flëssegkeet. Dat däerf een net op all Substanze verallgemengeren.

Déi ongewéinlech Steigung vun der Schmëlzkurv vum Waasser follegt direkt aus dem Virzeeche vun ΔV beim Schmëlzen no bei normalem Drock. Well flëssegt Waasser manner Volume brauch wéi Äis, kann e méi héijen Drock d’Flëssegkeet favoriséieren an d’Schmëlztemperatur liicht erofsetzen.

CO₂

Den Dräifachpunkt vum CO₂ läit bei ronn 5,18 bar. Bei 1 bar gëtt et kee stabilt flëssegt CO₂-Beräich; Dréchenäis subliméiert direkt an de Gas. Dofir “schmëlzt” fest CO₂ net ënner normalen Atmosphärbedéngungen. Beim Gefrierdréchnen gëtt ënner dem Dräifachpunkt vum Waasser geschafft an d’Äis duerch Sublimatioun ewechgeholl.

CO₂ weist, firwat een d’Diagramm kucke muss, ier ee vun engem “Kachpunkt” oder “Schmëlzpunkt” schwätzt. Bei Atmosphärdrock kann Dréchenäis kee stabilt flëssegt Beräich erreechen: beim Erhëtze gëtt d’Fest–Gas-Grenz geschnidden. Flëssegt CO₂ verlaangt en Drock iwwer dem Dräifachpunkt.

Grenzsteigungen an d’Phasereegel

Clapeyron-Relatioun

Fir eng Gläichgewiichtsgrenz tëscht zwou Phasen verbënnt d’Clapeyron-Relatioun d’Steigung mat Enthalpie a Volumenännerung: dP/dT = ΔH_trans/(TΔV_trans). D’Virzeeche vun ΔV erkläert, firwat d’Schmëlzkurv vum Waasser ongewéinlech ass.

An der Clapeyron-Relatioun ass ΔHtrans déi molar latent Hëtzt vun der Gläichgewiichtsiwwergang an ΔVtrans d’Ännerung vum molare Volume. D’Relatioun liwwert also net nëmmen eng Steigung, mee verbënnt d’Geometrie vum Diagramm mat thermodynamesche Gréisste vun deenen zwou Phasen.

Gibbs-Phasereegel

D’Reegel F = C − P + 2 gëtt d’Zuel vun onofhängegen intensiven Variabelen am Gläichgewiicht. Fir eng reng Substanz ass C=1, also F=3−P: zwou Fräiheetsgraden an enger Phas, een op enger Grenz an null um Dräifachpunkt.

An der Gibbs-Phasereegel ass C d’Zuel vun de chemesch onofhängege Komponenten an P d’Zuel vun de Phasen. Bei enger renger Substanz mat zwou koexistéierende Phasen bleift een Fräiheetsgrad: T festleeën fixéiert P op der Koexistenzkurv, oder ëmgedréint.

Grenze vum Modell

E Gläichgewiichtsdiagramm viraussoot net d’Nukleatiounsgeschwindegkeet oder d’Kinetik vun enger Ëmwandlung. Eng Flëssegkeet ka staark ënnerkillt ginn an eng metastabil Phas ka bestoe bleiwen, sou datt Hysterese gesi gëtt. Einfach Diagrammer kënnen och fest Polymorphen oder aner Phasen ewechloossen. Bei Mëschunge kënnt d’Zesummesetzung als zousätzlech Variabel dobäi.

Bei Mëschunge kann d’Zesummesetzung net ignoréiert ginn. E binäert Diagramm kann Temperatur géint Zesummesetzung bei konstantem Drock weisen; Zwee-Phasen-Beräicher weisen, wéi eng Zesummesetzunge koexistéiere kënnen. De Prinzip bleift dee selwechten, mee de Variabeleraum gëtt méi grouss.

Ënnerkillung weist den Ënnerscheed tëscht Stabilitéit a Kinetik. Eng Flëssegkeet kann ënner der Schmëlztemperatur metastabil bleiwen, wann keen entspriechende Kristallkeim entsteet. D’Gläichgewiichtsdiagramm weist weiderhin déi stabilst Phas, awer net, wéini se tatsächlech entsteet.

Beispill an Übung

Kompressioun bei konstanter Temperatur

Wann e Gas isotherm ënner der kritescher Temperatur kompriméiert gëtt, kann e vertikale Wee d’Damp–Flësseg-Grenz erreechen an an de flëssege Beräich goen. Iwwer der kritescher Temperatur gëtt bei derselwechter Kompressioun keng schaarf Flëssegkeet–Gas-Grenz méi geschnidden.

E Wee interpretéieren

Eng Prouf start am feste Beräich a gëtt bei konstantem Drock bis an de Gasberäich erhëtzt. Wéi eng Grenze gi geschnidden, wann den Drock iwwer deem vum Dräifachpunkt awer ënner dem kriteschen Drock läit?