Stany skupienia
Stan skupienia jest to podstawowa forma w ujęciu makroskopowym, w jakiej występuje substancja, określająca jej podstawowe własności fizyczne. Własności te wynikają z zachowania cząstek, z których ta substancja się składa.
Stan skupienia jest uzależniony od warunków termodynamicznych, jakie panują (temperatura, ciśnienie).
W określonych warunkach termodynamicznych dla danej substancji dany stan skupienia jest uprzywilejowany. Dla przykładu w warunkach normalnych woda występuje w postaci cieczy, podobnie rtęć, wodór jest w stanie lotnym, a żelazo w stanie stałym. Zmieniając temperaturę lub ciśnienie może nastąpić zmiana stanu skupienia, wówczas dla przykładu woda może przejść w stan stały (lód) lub lotny (para wodna).
Podział
W ujęciu klasycznym mamy do czynienia z trzema fazami skupienia:
- Stan stały (ciało stałe), w którym kształt i objętość substancji są dobrze zachowane i trudne do zmiany (ciała stałe nie są ściśliwe).
- Stan ciekły (ciecz) - w którym kształt substancji jest przejmowany od kształtu naczynia, objętość zaś jest trudna do zmiany (ciecze nie są ściśliwe).
- Stan lotny, gazowy (gaz) - w którym kształt zmienia się wraz z naczyniem, a objętość jest łatwa do zmiany (gazy są ściśliwe).
Ostatnio wyróżnia się czwarty, a nawet piąty stan skupienia materii:
- plazma,
- kondensat Bosego-Einsteina.
Plazma jest najpowszechniej występującym stanem materii we Wszechświecie.
Stan skupienia substancji zależy od stosunku energii kinetycznej cząsteczek składowych do energii oddziaływań między tymi cząsteczkami. Jeżeli iloraz ten jest duży, to materia występuje w stanie lotnym.
Faza
Fazą nazywamy zbiór wszystkich części danego układu o takim samym składzie chemicznym, właściwościach fizycznych, który jest wyraźnie rozgraniczony tak zwanymi powierzchniami rozdziału.
Płyny zwykle występują w jednej tylko fazie (choć są wyjątki).
Ciała stałe mogą występować w różnych fazach. To tak zwany polimorfizm. Najlepszym przykładem jest węgiel, który może mieć postać grafitu, fulerenu, diamentu. Nawet zwykły lód może tworzyć kilka różnych faz.
Faza ma tę właściwość, że w danej temperaturze i przy tym samym ciśnieniu jest trwała.
W warunkach równowagi termodynamicznej może się zdarzyć, że dana substancja może występować w dwóch różnych fazach jednocześnie. Mamy wtedy do czynienia z tak zwaną równowagą fazową. Jej zaburzenie powoduje tak zwane przejście fazowe z jednego stanu do innego, o których będzie mowa w odrębnym artykule.
Podział faz
- Fazy płynne:
- gaz,
- plazma,
- plazma neutronowa,
- plazma kwarkowa,
- ciecz,
- faza nadciekła,
- ciekłe kryształy;
- Fazy stałe:
- kryształy,
- kryształy plastyczne,
- kryształy condis,
- stan amorficzny.
Reguła faz Gibbsa
W stanie równowagi fazowej układu termodynamicznego, złożonego z n składników o s stopniach swobody zachodzi równość:
gdzie:
- f - maksymalna liczba faz (n+2-s),
- s - liczba stopni swobody,
- n - liczba składników.
Wyjaśnienia wymaga jeszcze pojęcie stopni swobody, czyli najmniejszej liczby niezależnych zmiennych, niezbędnych do jednoznacznego opisania stanu układu. Dla układów termodynamicznych liczbę stopni swobody określa się jako liczbę niezależnych parametrów, które można zmieniać nie powodując zmiany liczby i rodzaju faz układu. W najprostszym przypadku są to trzy parametry: ciśnienie (p), temperatura (T) i objętość (V). Są one wzajemnie powiązane (np. równaniem Clapeyrona), dlatego niezależnie mogą zmieniać się tylko dwa spośród tych trzech parametrów.
Przykład
Jeżeli mamy czystą substancję, to jest ona zbudowana z n=1 składników. Liczba stopni swobody może być różna, równa 0,1 lub 2. Zatem liczba maksymalna faz wynosi 3. Zatem dla czystej chemicznie substancji nie może istnieć punkt określony przez warunki termodynamiczne, gdzie w równowadze znajdują się cztery fazy.
Pytania
Czy w tych samych zewnętrznych warunkach termodynamicznych ciało może występować w dwóch stanach skupienia?
Tak.
Czy stan skupienia i faza to to samo?
Pojęcie fazy jest pojęciem bardziej precyzyjnym.
© medianauka.pl, 2021-04-01, A-4041