Fase termodinámica

La fase termodinámica  es una parte homogénea de un sistema heterogéneo , limitada por la interfaz [1] [2] . De manera menos estricta, pero más clara, una fase es una parte homogénea del sistema, separada del resto de las partes por una interfaz visible [3] [4] , en la que cualquier característica de la fase [5] cambia abruptamente , por ejemplo , densidad , composición, propiedades ópticas. En este caso, el conjunto de partes homogéneas individuales del sistema con las mismas propiedades se considera una fase (por ejemplo, un conjunto de cristales de una sustancia o un conjunto de gotas de líquido, suspendido en el gas y constituyendo niebla ) [6] . Cada fase del sistema se caracteriza por su propia ecuación de estado [4] .

Al pasar por la interfase, al menos una propiedad termodinámica de la sustancia cambia abruptamente [1] [7] . A menudo (pero no siempre) la interfaz es visible a simple vista.

Un sistema homogéneo contiene solo una fase; un sistema heterogéneo consta de dos o más fases [8] . El sistema hielo - agua - aire húmedo es un sistema trifásico heterogéneo. En un sistema de un componente, las diferentes fases pueden estar representadas por diferentes estados agregados o diferentes modificaciones polimórficas de un sólido ( azufre rómbico y monoclínico , estaño gris y blanco , etc.) [1] . El número de fases en un sistema heterogéneo obedece a la regla de las fases de Gibbs .

En un sistema multicomponente, las fases pueden tener diferentes composiciones y estructuras. En cualquier caso, si hay una separación de fases, se da a entender en principio que una sustancia puede pasar de una fase a otra. Un sistema multifásico está en equilibrio termodinámico si todas sus fases están en equilibrio mecánico , térmico y de fase entre sí.

Conceptos básicos

Un gas casi siempre consta de una fase [K 1] , un líquido puede constar de varias fases líquidas de diferente composición ( segregación , inmiscibilidad líquida ), pero dos líquidos diferentes de la misma composición no pueden coexistir en equilibrio ( el helio líquido es una excepción) . Una sustancia en estado sólido puede constar de varias fases, algunas de las cuales pueden tener la misma composición pero una estructura diferente ( modificaciones polimórficas, alotropía ).

Las diferentes fases tienen diferentes opciones de empaquetamiento molecular (para fases cristalinas, diferentes redes cristalinas) y, en consecuencia, sus propios valores característicos del coeficiente de compresibilidad, coeficiente de expansión térmica y otras características. Además, diferentes fases pueden tener diferentes propiedades eléctricas (ferroeléctricas), magnéticas (ferroimanes) y ópticas (por ejemplo, oxígeno sólido).

Fases termodinámicas en el diagrama de fase

En el diagrama de fase de una sustancia, varias fases termodinámicas ocupan ciertas áreas. Las líneas que separan diferentes fases termodinámicas se denominan líneas de transición de fase . Si una sustancia está en condiciones correspondientes a un punto dentro de alguna región, entonces está completamente en esta fase termodinámica. Si el estado de una sustancia corresponde a un punto en una de las líneas de transición de fase, entonces la sustancia en equilibrio termodinámico puede estar en parte en una y en parte en otra fase. La proporción de dos fases está determinada, por regla general, por la energía total almacenada por el sistema.

Con un cambio lento de presión o temperatura, la sustancia se describe mediante un punto en movimiento en el diagrama de fase. Si este punto en su movimiento cruza una de las líneas que separan las fases termodinámicas, se produce una transición de fase , en la que las propiedades físicas de la sustancia cambian bruscamente.

No todas las fases están completamente separadas entre sí por una línea de transición de fase. En algunos casos, esta línea puede romperse y terminar en un punto crítico . En este caso, es posible una transición gradual en lugar de abrupta de una fase a otra, sin pasar por la línea de transiciones de fase.

El punto en el diagrama de fase donde convergen las tres líneas de transición de fase se llama punto triple . Por lo general, el punto triple de una sustancia se entiende como un caso especial cuando las líneas de fusión, ebullición y sublimación convergen, sin embargo, puede haber varios puntos triples en diagramas de fase suficientemente ricos. Una sustancia en un punto triple en un estado de equilibrio termodinámico puede estar parcialmente en las tres fases. En los diagramas de fase multidimensionales (es decir, si están presentes otras cantidades intensivas además de la temperatura y la presión), pueden existir cuádruples y otros puntos.

Fases termodinámicas y estados agregados de la materia

El conjunto de fases termodinámicas de una sustancia suele ser mucho más rico que el conjunto de estados agregados , es decir, un mismo estado agregado de una sustancia puede estar en diferentes fases termodinámicas. Es por eso que la descripción de la materia en términos de estados agregados es bastante tosca y no puede distinguir entre algunas situaciones físicas diferentes.

Un rico conjunto de fases termodinámicas está asociado, por regla general, con varias opciones de orden que se permiten en un estado particular de agregación.

• En estado gaseoso, la materia no tiene orden. En consecuencia, en estado gaseoso, cualquier sustancia tiene solo una fase termodinámica. (Las transiciones de fase como la disociación molecular o la ionización son, por definición, transiciones de una sustancia a otra).
• Un fluido posee un orden de orientación, pero generalmente no posee un orden de traslación . Como resultado, el mismo líquido puede tener diferentes fases termodinámicas, pero su número rara vez excede de uno. Así, por ejemplo, se descubrió la existencia de una nueva fase líquida en agua sobreenfriada . Otro ejemplo es el estado superfluido del helio líquido .
• Un sólido cristalino tiene orden tanto de traslación como de orientación. Como resultado, surgen un gran número de posibles variantes de la orientación de las moléculas vecinas entre sí, que pueden resultar energéticamente favorables a determinadas presiones y temperaturas. Como resultado, los cuerpos sólidos, por regla general, tienen un diagrama de fase bastante complejo. Por ejemplo, el diagrama de fase de una sustancia aparentemente tan simple como el hielo tiene al menos 12 fases termodinámicas que se realizan a diferentes temperaturas y presiones.

Selección de fase

La separación de fases  , la transformación de un sistema homogéneo en uno de dos o múltiples fases, se usa ampliamente en ciencia y tecnología.

La cristalización permite obtener sustancias puras.

A altas presiones, se puede observar un fenómeno como la estratificación en el sistema gas-gas. La posibilidad de la existencia de un equilibrio heterogéneo en una mezcla de gases por encima de la temperatura crítica fue señalada por van der Waals , y luego este fenómeno fue analizado por Kamerling-Onnes y Keesom . La prueba experimental de la presencia de tal fenómeno se obtuvo por primera vez utilizando el ejemplo del sistema amoníaco  - nitrógeno en 1941. Inicialmente, se supuso que la solubilidad mutua limitada se observaba solo en mezclas de gases que contenían un componente polar ( amoníaco , sulfuro de hidrógeno ). Sin embargo, posteriormente se estableció la separación de mezclas de helio  - dióxido de carbono , helio- etileno y helio- propano . En el sistema helio-etileno, la existencia de una superficie de separación de fases con una solubilidad mutua limitada de los gases se confirmó mediante observaciones visuales y fotografías del menisco entre las dos fases gaseosas.

 Cuando se separa una mezcla de gases, a veces se observa el llamado fenómeno barotrópico : un cambio en los lugares de dos fases coexistentes con una presión creciente. Por ejemplo, en el sistema binario NH 3 (l.) - N 2 (g.), la fase más rica en amoníaco tiene una mayor densidad. Sin embargo, cuando la mezcla se separa (90 °C, 1800 a (~1,84 kbar)) la fase más rica en amoníaco ya tiene menor densidad y asciende [10] .

Véase también

• Regla de fase
• hipotermia
• Sobrecalentar
• Phase-change Dual  es una tecnología de grabación de discos ópticos basada en un doble cambio en el estado de fase de una sustancia.

Comentarios

1. ↑ A bajas presiones, los gases se mezclan entre sí en cualquier proporción. A altas presiones y temperaturas por encima de la crítica , la solubilidad mutua de los gases puede ser limitada y es posible la coexistencia en equilibrio de dos fases gaseosas; estos sistemas se consideran soluciones gaseosas estratificantes [9] .

Notas

1. ↑ 1 2 3 Bazarov I.P., Termodinámica, 2010 , p. 22
2. ↑ Termodinámica. Conceptos básicos. Terminología. Designaciones de letras de cantidades, 1984 , p. 7.
3. ↑ La interfaz no siempre es visible a simple vista, pero la heterogeneidad del sistema se puede detectar, por ejemplo, por la falta de homogeneidad óptica del medio: la apariencia de un cono de Tyndall cuando un haz de luz pasa a través de un sistema coloidal (ver Viter V. N. Tyndall cono (se añadió una solución de colofonia en etanol al agua) ).
4. ↑ 1 2 Gerasimov Ya. I. et al., Curso de química física, volumen 1, 1970 , p. 27
5. ↑ Ovchinkin V. A. Transiciones de fase y equilibrios, 2018 , p. cuatro
6. ↑ Gerasimov Ya. I. et al., Curso de química física, volumen 1, 1970 , p. 26–27.
7. ↑ Termodinámica. Conceptos básicos. Terminología. Designaciones de letras de cantidades, 1984 , p. 6.
8. ↑ A. Munster, Termodinámica química, 1971 , p. quince.
9. ↑ Anisimov MA , Gazy, 1988 , p. 474.
10. ↑ Gonikberg M. G. Equilibrio químico y velocidad de reacción a altas presiones.// M.: Ed. Academia de Ciencias de la URSS, 1960, p. 19 - 24

Literatura

• Anisimov M.A. Gases  // Enciclopedia química . - Enciclopedia soviética , 1988. - T. 1: Abl - Dar . - S. 474-475 . (Ruso)
• Bazarov I.P. Termodinámica. - 5ª ed. - SPb.-M.-Krasnodar: Lan, 2010. - 384 p. - (Libros de texto para universidades. Literatura especial). - ISBN 978-5-8114-1003-3 .
• Gerasimov Ya. I., Dreving V. P., Eremin E. N. et al. Curso de química física / Ed. edición Ya. I. Gerasimova. - 2ª ed. - M. : Química, 1970. - T. I. - 592 p.
• Munster A. Termodinámica química / Per. con él. por debajo. edición miembro correspondiente Academia de Ciencias de la URSS Ya. I. Gerasimova. — M .: Mir, 1971. — 296 p.
• Ovchinkin VA Transiciones de fase y equilibrio. - M. : Fizmatkniga, 2018. - 48 p. - ISBN 978-5-89155-282-1 .
• Sivukhin DV Curso general de física. - T. II. Termodinámica y física molecular. - 5ª ed., Rev. - M. : FIZMATLIT, 2005. - 544 p. - ISBN 5-9221-0601-5 .
• Termodinámica. Conceptos básicos. Terminología. Designaciones de letras de cantidades / Resp. edición I. I. Novikov . - Academia de Ciencias de la URSS. Comité de Terminología Científica y Técnica. Colección de definiciones. Tema. 103. - M. : Nauka, 1984. - 40 p.

Enlaces

• Físicos franceses han descubierto un sistema que se endurece reversiblemente con el aumento de la temperatura  : α- ciclodextrina , agua y 4-metilpiridina.