De tillståndsförändringar eller fas är ett termodynamiskt fenomen där materia genomgår reversibla fysiska förändringar. Det sägs vara termodynamiskt eftersom en överföring av värme sker mellan materia och omgivningen; eller vad är detsamma, det finns interaktioner mellan materia och energi som inducerar en omläggning av partiklarna.
Partiklarna som genomgår förändring av tillståndet är desamma före och efter förändringen. Tryck och temperatur är viktiga variabler för hur de ryms i en eller annan fas. När en förändring av tillstånd inträffar bildas ett bifasiskt system som består av samma materia i två olika fysiska tillstånd.
Bilden ovan visar de viktigaste tillståndsförändringarna som materien genomgår under normala förhållanden..
En fast kub av ett blåaktigt ämne kan bli flytande eller gasformigt beroende på omgivningens temperatur och tryck. I sig representerar den en enda fas: den fasta substansen. Men vid tidpunkten för smältning, det vill säga smältning, upprättas en jämvikt mellan fast och flytande som kallas fusion (röd pil mellan den blåaktiga kuben och droppen).
För att fusion ska ske måste kuben absorbera värme från omgivningen för att öka temperaturen. därför är det en endoterm process. När kuben väl är helt smält återgår den till en enda fas: den i flytande tillstånd.
Denna blåaktiga droppe kan fortsätta att absorbera värme, vilket ökar dess temperatur och resulterar i bildandet av gasbubblor. Återigen finns det två faser: en vätska och den andra gasen. När all vätska har avdunstat genom kokpunkten sägs den ha kokat eller förångat..
Nu förvandlades de blåaktiga dropparna till moln. Hittills har alla processer varit endotermiska. Den blå gasen kan fortsätta att absorbera värme tills den blir varm; Med tanke på de markbundna förhållandena tenderar det dock att svalna och kondensera tillbaka till vätskan (kondens)..
Å andra sidan kan moln också deponeras direkt på en fast fas, vilket återigen bildar den fasta kuben (deponering). Dessa två sista processer är exoterma (blå pilar); de släpper ut värme till miljön eller omgivningen.
Förutom kondens och avsättning inträffar en förändring av tillståndet när den blåaktiga droppen fryser vid låga temperaturer (stelning).
Artikelindex
Bilden visar typiska förändringar för materiens tre (vanligaste) tillstånd: fast, flytande och gas. Förändringarna åtföljda av de röda pilarna är endotermiska och involverar absorptionen av värme; medan de som åtföljs av de blå pilarna är exoterma, släpper de värme.
En kort beskrivning av var och en av dessa förändringar kommer att göras nedan och belyser några av deras egenskaper från molekylärt och termodynamiskt resonemang..
Fusion är förändringen av ett ämnes tillstånd från fast till flytande..
I fast tillstånd är partiklarna (joner, molekyler, kluster etc.) "fångar", placerade i fasta positioner i rymden utan att kunna röra sig fritt. De har dock förmåga att vibrera vid olika frekvenser, och om de är mycket starka kommer den stränga ordning som införs av intermolekylära krafter att börja "falla sönder"..
Som ett resultat erhålls två faser: en där partiklarna förblir begränsade (fasta) och en andra där de är friare (flytande), tillräckligt för att öka avstånden som skiljer dem. För att uppnå detta måste det fasta ämnet absorbera värme, och därmed kommer dess partiklar att vibrera med större kraft..
Av denna anledning är fusionen endoterm, och när den börjar sägs att en jämvikt uppstår mellan fast-vätskefaserna..
Värmen som är nödvändig för att ge upphov till denna förändring kallas värme eller molär entalpi av fusion (AhFus). Detta uttrycker mängden värme (energi, huvudsakligen i enheter av kJ) som en mol ämne i fast tillstånd måste absorbera för att smälta och inte bara höja temperaturen.
Med detta i åtanke är det förstått varför en snöboll smälter i handen (toppbild). Snö absorberar kroppsvärmen, vilket räcker för att höja snötemperaturen över 0 ° C.
Iskristallerna i snön absorberar tillräckligt med värme för att smälta och för att deras vattenmolekyler ska få en rörigare struktur. Medan snön smälter kommer det bildade vattnet inte att öka sin temperatur, eftersom all värme från handen används av snön för att slutföra smältningen.
Förångning är förändringen av ett ämnes tillstånd från flytande till gasform.
Fortsätt med exemplet med vatten, nu placera en handfull snö i en kruka och tända elden, observeras att snön snabbt smälter. När vattnet värms upp börjar små koldioxidbubblor och andra möjliga gasföroreningar bildas inuti det..
Värme expanderar molekylärt de orörda konfigurationerna av vatten, expanderar dess volym och ökar dess ångtryck; därför finns det flera molekyler som flyr från ytan till följd av ökad avdunstning.
Flytande vatten ökar temperaturen långsamt på grund av dess höga specifika värme (4.184J / ° C ∙ g). Det kommer en punkt där värmen det absorberar inte längre används för att höja temperaturen utan för att initiera jämvikten mellan vätska och ånga; det vill säga det börjar koka och all vätska kommer att gå i gasform medan den absorberar värme och håller temperaturen konstant.
Det är här du ser den intensiva bubblan på ytan av det kokta vattnet (toppbild). Värmen som absorberas av flytande vatten så att ångtrycket i dess begynnande bubblor är lika med det yttre trycket kallas förångningsentalpi (AhÅnga).
Trycket är också avgörande för tillståndsförändringarna. Vad är dess effekt på förångning? Ju högre tryck, desto större värme måste vattnet absorbera för att koka, och därför förångas det över 100 ° C.
Detta beror på att tryckökningen gör det svårt för vattenmolekylerna att fly från vätskan till gasfasen..
Tryckkokare använder detta faktum till sin fördel för att värma mat i vatten till en temperatur över kokpunkten..
Å andra sidan, eftersom det finns ett vakuum eller en minskning av trycket, behöver flytande vatten en lägre temperatur för att koka och gå in i gasfasen. Med mycket eller lite tryck, när vattnet kokar, måste det absorbera sin respektive förångningsvärme för att slutföra dess tillståndsförändring..
Kondens är förändringen av ett ämnes tillstånd från gasform till flytande tillstånd.
Vattnet har förångats. Vad kommer härnäst? Vattenånga kan fortfarande öka temperaturen och bli en farlig ström som kan orsaka allvarliga brännskador..
Låt oss dock anta att det svalnar istället. Hur? Att släppa ut värme till miljön och att släppa ut värme sägs vara en exoterm process som inträffar.
Genom att släppa ut värme börjar de mycket energiska gasformiga vattenmolekylerna sakta ner. Dessutom blir deras interaktioner effektivare när ångans temperatur minskar. Vattendroppar bildas först, kondenserade från ångan, följt av större droppar som slutar attraheras av gravitationen.
För att kondensera en viss mängd ånga helt måste du släppa samma energi, men med motsatt tecken, vid ΔHÅnga; dvs dess entalpi av kondensation AhCond. Således upprättas den inversa ång-vätske-jämvikten.
Kondens kan ses på fönstren i själva hemmet. I ett kallt klimat kolliderar vattenångan i huset med fönstret, vilket på grund av dess material har en lägre temperatur än andra ytor..
Där är det lättare för ångmolekylerna att klumpas ihop, vilket skapar ett tunt vitaktigt skikt som lätt kan tas bort för hand. Eftersom dessa molekyler släpper ut värme (värmer upp glaset och luften) börjar de bilda fler kluster tills de första dropparna kan kondensera (toppbild).
När dropparna blir mycket stora glider de ner genom fönstret och lämnar ett spår av vatten.
Solidifiering är förändringen av ett ämnes tillstånd från flytande tillstånd till fast tillstånd.
Stelning sker som ett resultat av kylning; med andra ord fryser vattnet. För att frysa måste vatten släppa ut samma mängd värme som isen absorberar för att smälta. Återigen kallas denna värme entalpi för stelning eller frysning, AhCong (-AHFus).
När vattenmolekylerna svalnar förlorar de energi och deras intermolekylära interaktioner blir starkare och mer riktade. Som ett resultat ordnas de tack vare sina vätebindningar och bildar så kallade iskristaller. Mekanismen genom vilken iskristaller växer påverkar deras utseende: transparent eller vit.
Om iskristaller växer mycket långsamt täcker de inte föroreningar, såsom gaser som löses upp i vatten vid låga temperaturer. Således flyr bubblorna och kan inte interagera med ljuset; och följaktligen har du en is lika transparent som den för en extraordinär isstaty (toppbild).
Samma sak som händer med is, det kan hända med alla andra ämnen som stelnar genom kylning. Kanske är detta den mest komplexa fysiska förändringen under markförhållanden, eftersom flera polymorfer kan erhållas.
Sublimering är tillståndsförändringen för ett ämne från fast till gasform.
Kan vatten sublimeras? Nej, åtminstone inte under normala förhållanden (T = 25 ° C, P = 1 atm). För att sublimering ska ske, det vill säga förändringen av tillstånd från fast till gas, måste ångtrycket hos det fasta ämnet vara högt.
Likaså är det viktigt att deras intermolekylära krafter inte är särskilt starka, helst om de bara består av dispersionskrafter.
Det mest emblematiska exemplet är fast jod. Det är ett kristallint fast ämne med grå-lila nyanser som ger ett högt ångtryck. Så mycket att i lagen avges en lila ånga, vars volym och expansion blir märkbar när de utsätts för värme.
Ett typiskt experiment visas i bilden ovan där fast jod indunstas i en glasbehållare. Det är intressant och slående att observera hur de lila ångorna sprids, och den initierade studenten kan verifiera frånvaron av flytande jod.
Detta är det huvudsakliga kännetecknet för sublimering: det finns ingen vätskefas. På samma sätt är det endotermiskt, eftersom det fasta ämnet absorberar värme för att öka sitt ångtryck tills det är lika med det yttre trycket..
Deposition är tillståndsförändringen för ett ämne från gasform till fast tillstånd.
Parallellt med jodsublimeringsexperimentet finns det dess avsättning. Deposition är den motsatta förändringen eller övergången: ämnet går från gasformigt tillstånd till fast ämne utan bildande av en flytande fas.
När lila jodångor kommer i kontakt med en kall yta släpper de ut värme för att värma upp det, förlorar energi och omgrupperar sina molekyler i det grålila fastämnet (toppbild). Det är då en exoterm process.
Deposition används ofta för syntes av material där de dopas med metallatomer genom sofistikerade tekniker. Om ytan är mycket kall är värmeutbytet mellan den och ångpartiklarna plötsligt och utelämnar passagen genom respektive vätskefas..
Avsättningens värme eller entalpi (och inte deposition) är det inversa av sublimering (AhSub= - AHD.E.P.). I teorin kan många ämnen sublimeras, men för att uppnå detta är det nödvändigt att manipulera tryck och temperaturer, förutom att ha deras P vs T-diagram till hands; där dess avlägsna möjliga faser kan visualiseras.
Även om inget nämns av dem, finns det andra tillstånd av materia. Ibland kännetecknas de av att de har "lite av varje", och därför är de en kombination av dem. För att generera dem måste tryck och temperaturer manipuleras till mycket positiva (stora) eller negativa (små) magnituder..
Således, till exempel, om gaser upphettas för mycket, kommer de att förlora sina elektroner och deras positivt laddade kärnor i det negativa tidvattnet kommer att utgöra det som kallas plasma. Det är synonymt med "elektrisk gas", eftersom den har en hög elektrisk ledningsförmåga.
Å andra sidan, när temperaturen sjunker för lågt, kan materia bete sig på oväntade sätt; det vill säga de uppvisar unika egenskaper runt absolut noll (0 K).
En av dessa egenskaper är superfluiditet och supraledning; liksom bildandet av Bose-Einstein-kondensat, där alla atomer beter sig som en.
Viss forskning pekar även på fotonisk materia. I dem grupperas partiklarna av elektromagnetisk strålning, fotoner, för att bilda fotoniska molekyler. Det vill säga att det skulle ge massa till kroppar av ljus, teoretiskt.
Ingen har kommenterat den här artikeln än.