Фазни дијаграми

P–T фазни дијаграм показује која је фаза термодинамички стабилна при датим температури и притиску. Граничне линије су услови равнотеже две фазе, а тачке сусрета или завршетка линија имају прецизно физичко значење.

Читање дијаграма притисак–температура

Области стабилности

Унутар једне области једна фаза је термодинамички стабилна. На граничној линији две фазе могу коегзистирати у равнотежи јер су им хемијски потенцијали једнаки.

Праћење процесне путање

Хоризонтална или вертикална путања значи да се једна контролна променљива мења док је друга фиксна. Пресецање фазне границе означава фазни прелаз под условима равнотеже.

Фазни дијаграм није временски график. Он показује равнотежна стања; брзина стварне трансформације зависи и од кинетике и нуклеације.

P–T дијаграм дели раван на области стабилности; границе су равнотежа две фазе, а тројна тачка три.

Тројна и критична тачка

Тројна тачка

У тројној тачки чврста, течна и гасовита фаза могу бити истовремено у равнотежи. За чисту супстанцу то је јединствен пар температуре и притиска.

Критична тачка

Граница течност–гас завршава се критичном тачком. Изнад критичне температуре нема оштре равнотежне границе између течности и гаса; јавља се суперкритични флуид.

Критична и тројна тачка описују различите делове дијаграма и не смеју се мешати.

Вода и угљен-диоксид показују зависност од супстанце

Вода

Крива топљења воде има негативан нагиб близу нормалног притиска јер лед има већи моларни волумен од течне воде. Повећање притиска зато фаворизује течност и може снизити температуру топљења.

Угљен-диоксид

Тројни притисак CO₂ је око 5,18 bar. При 1 bar нема стабилне течне фазе у равнотежи: суви лед при загревању директно сублимира у гас.

Облик граница следи термодинамичке особине материје; једна универзална скица није довољна.

Крива топљења воде има супротан нагиб од већине супстанци јер је ΔV топљења негативан близу нормалног притиска.

Нагиб границе и степени слободе

Клапејронова једначина

Дуж фазне границе dP/dT = ΔH_trans/(TΔV_trans). Знак ΔV објашњава, на пример, необичан нагиб криве топљења воде.

Гибсово фазно правило

F = C − P + 2. За једну чисту компоненту F = 3 − P. У једнофазној области постоје две независне интензивне променљиве, на двофазној граници једна, у тројној тачки ниједна.

Фазно правило не одређује количине фаза, већ број независних интензивних променљивих у равнотежи.

Границе једноставног дијаграма

P–T дијаграм чисте супстанце не приказује промену састава. Смеше захтевају додатне осе или пресеке. Метастабилна стања, као прехлађена течност, могу опстати изван глобалне равнотеже због кинетичких баријера.

Пример и вежба

Компресија при сталној температури

Ако се гас сабија испод критичне температуре и путања пресече границу гас–течност, може настати течност. Изнад критичне температуре нема такве оштре границе.

Читање путање

Ако је тројни притисак 4 bar, а чврста супстанца се загрева при 1 bar, путања је испод тројне тачке и може прећи директно из чврсте у гас без стабилне течности.

Увек прво прочитајте осе и путању, па тек онда именујте фазни прелаз.

Решење

При 1 bar и тројном притиску 4 bar, загревањем чврсте фазе путања може директно прећи сублимациону границу у гас; течност није стабилна.