Transformări de fază

Faza unui sistem reprezintă o parte omogenă, distinctă din punct de vedere fizic, delimitată de celelalte părţi ale sistemului printr-o suprafaţă bine precizată.

Prin transformare de fază (tranziţie de fază) se înţelege trecerea substanţei dintr-o fază într-o altă fază.

Două sau mai multe faze sunt în echilibru (echilibru de fază) dacă la contactul acestora masa fiecăreia se menţine constantă în timp. Echilibrul a două faze în contact presupune :

echilibru termic între cele două faze (aceeaşi temperatură), nerealizarea acestei condiţii determinînd un flux termic între componentele sistemului;

echilibru mecanic (aceeaşi presiune), nerealizarea acestei condiţii determinând un flux de substanţă între componentele sistemului.

Vaporii aflaţi în echilibru dinamic cu lichidul din care provin se numesc vapori saturanţi. La echilibrul dinamic numărul de molecule care părăsesc lichidul este egal cu numărul moleculelor vaporilor care se reîntorc în lichid. Presiunea exercitată de vaporii saturanţi, pm (presiunea maximă a vaporilor saturanţi) reprezintă cea mai mare valoare a presiunii vaporilor pentru o temperatură dată şi totodată este presiunea de echilibru lichid - vapori. Valoarea pm creşte neliniar cu temperatura.

Temperatură critică: pentru temperaturi mai mari decât această valoare, substanţa se va afla numai în stare gazoasă, pentru orice valoare a presiunii.

Stare critică : caracterizată prin parametrii pC, VC, TC; starea în care densitatea vaporilor devine egală cu a lichidului; starea în care tensiunea superficială a lichidului este zero.

Denumirea de “vapori” este dată gazului aflat la temperaturi sub valoarea temperaturii critice ce poate fi transformat în lichid.

Stare triplă : starea în care pot coexista cele trei faze: faza solidă, lichidă şi faza de vapori.

Procese cu tranziţie de fază

Tranziţii de fază se produc permanent atât la suprafaţa terestră, cât şi în atmosferă. De aceea este important să cunoaşteţi care sunt aceste procese, în ce condiţii pot avea loc, care sunt factorii care influenţează desfăşurarea lor, respectiv în ce condiţii se poate realiza echilibrul a două sau mai multe faze. Pentru bilanţul energetic al sistemului Pământ-atmosferă, este de asemenea necesar să cunoaşteţi modul în care anumite tranziţii de fază ale apei pot influenţa un astfel de bilanţ.

Traziţiile de fază se produc izoterm. La o presiune dată, temperatura la care se produc procesele reversibile, este aceeaşi.

1

Transformare de fazăFazele între

care se produce tranziţia

Codiţii de desfăşurare a tranziţiei de fază

Observaţii

Vaporizare

în volum limitat

în vid

lichid-vapori

Se poate produce numai la temperaturi mai mici decât TC

se produce instantaneu;

procesul încetează atunci când presiunea vaporilor din incintă devine egală cu presiunea vaporilor saturanţi (p = pm), situaţie în care vaporii din incintă devin saturanţi;

Valoarea presiunii vaporilor saturanţi (pm): pentru o temperatură dată,

depinde numai de natura substanţei;

este independentă de masa vaporilor sau de masa lichidului cu care aceştia sunt în contact ;

se menţine constantă dacă temperatura lichidului nu se modifică

în atmosfera gazoasă

se desfăşoară relativ lent;

procesul încetează atunci vaporii din incintă devin saturanţi;

Valoarea pm este independentă de presiunea gazului din incintă, presiunea amestecului de gaze şi vapori saturanţi fiind calculată ca suma presiunilor parţiale ale componentelor (presiuni pe care fiecare componentă l-ar determina dacă ar ocupa singură întregul volum).

în volum nelimitat:

evaporare

se produce la suprafaţa lichidului;

procesul are loc dacă:

procesul este favorizat de prezenţa unor particule de praf, picături de lichid, bule de gaz, ioni

Viteza de evaporare (masa de lichid, sau volumul ce se evaporă în unitatea de timp) putând fi determinată cu ajutorul următoarei relaţii:

v = K ,

S : aria suprafeţei la nivelul căreia se prodece evaporarea.k depinde de unităţile alese (dacă viteza se calculează ca debit de volum sau debit masic), de natura substanţei, de viteza aerului la suprafaţa lichidului.

fierbere se produce în toată masa

lichidului; procesul are loc dacă:

La o presiune dată, Tf (temperatura vaporilor de la suprafaţa lichidului în timpul fierberii) depinde numai de natura lichidului şi în mică măsură de presiunea de la suprafaţa lichidului.

Transformare de fazăFazele între

care se produce tranziţia

Codiţii de desfăşurare a tranziţiei de fază

Observaţii

condensareaa (lichefiere) vapori-lichid

Se poate produce numai la temperaturi mai mici tecât TC

procesul începe atunci când:

procesul este favorizat de prezenţa unor centri de condensare (particule de praf, picături de lichid,

Temperatura la care se produce schibarea fazei creşte neliniar cu presiunea.

2

bule de gaz, ioni

Topire

solid-lichid:

solid amorf-lichid

solid cristalin-lichid

procesul se produce treptat, tranziţia la faza lichidă realizându-se într-un interval de temperatură

Existenţa unui punct de topire este o caracteristică a solidelor cristaline, deosebindu-le de cele amorfe. La o presiune dată, Tt depinde numai de natura substanţei şi într-o anumită măsură de presiunea ce se exercită asupra corpului.Pentru o substanţă care se dilată la topire, temperatura de topire creşte cu presiunea, iar pentru cele care se contractă la topire, Tf scade cu presiunea.

procesul se produce la o anumtă temperatură bine determinată, Tt

solidificare lichid-solid proces reversibil solidificării, prezentând aceleaşi caracteristici

sublimare solid-vapori

proces asemănător evaporării, fiind definită o presiune maximă a vaporilor saturanţi, vapori aflaţi în echilibru cu faza solidă.

Acest proces are loc la o animită temperatură (temperatură de sublimare).

Temperaturi de sublimare îi corespunde o presiune de echilibru a fazelor, reprezentând presiunea vaporilor saturanţi. Temperatura de sublimare creşte neliniar cu presiunea.

desublimare vapori-solid proces reversibil solidificării, prezentând aceleaşi caracteristici

Bilanţ energetic al proceselor

În timpul acestor transformări de fază, distanţele intermoleculare se modifică, ceea ce va determina schimbarea valorii energiei interne a sistemului (pentru valori diferite ale distanţelor intermoleculare, energia potenţială datorată interacţiunii dintre molecule are valori diferite). Atunci când valoarea distanţelor intermoleculare creşte, Ep internă creşte, astfel U>0 (Ec datorată mişcării termice fiiind constată, tranziţiile de fază desfăşurându-se la temperatură constantă). Pentru procesele ce se desfăşoară cu micşorarea distanţelor intermoleculare, energia internă a sistemului scade, determinând scăderea energiei interme a sistemului (U<0). Modificându-se volumul substanţei, sistemul va primi sau va ceda lucru mecanic, în funcţie de sensul desfăşurării procesului ( la creşterea volumului, L>0, iar la comprimare L<0).

Aceste modificări energetice din sistem determină un schimb caloric de energie cu mediul exterior, cădura schibată fiind numită căldulă latentă datorită faptului că aceste procese se desfăşoară la temperatură constantă. Căldura latentă ce revine unităţii de masă, nortată cu , se numeşte căldură latentă specifică:

= Q/m, []SI = J/kg

Tipul procesului

U L Bilanţul energetic

vaporizare UV > 0 LV > 0 QV = UV + LV > 0, sistemul primeşte căldurăQV/m = V ( căldură latentă specifică de vaporizare)

V = Lcondensare( lichefiere)

UL < 0 LL < 0 QL = UV + LV < 0, sistemul cedează căldurăIQLI /m = L ( căldură latentă specifică de lichefiere)

topire

Ut > 0 Lt>0 sau Lt > 0

Qt = Ut + Lt > 0, sistemul primeşte căldurăQt /m = t ( căldură latentă specifică de topire)

t = s solidificare

US < 0 LS<0 sau

QS = US + LS < 0, sistemul cedează căldurăIQSI /m = s ( căldură latentă specifică de solidificare)

3

Ls>0sublimare Usub > 0 Lsub > 0 Qsub = Usub + Lsub > 0, sistemul primeşte căldură

Qsub/m = sub ( căldură latentă specifică de sublimare)sub = ddesublimare Ud < 0 Ld < 0 Qd = Ud + Ld < 0, sistemul cedează căldură

IQdI /m = d(căldură latentă specifică de desublimare)

Analizând informaţiile prezentate în tabelul anterior, veţi constata faptul că valorile acestui coeficient sunt egale pentru procesele vaporizare-condensare, topire-solidificare, sublimare-desublimare, acest lucru punând în evidenţă reversibilitatea transformărilor de fază.

Semnificaţia punctului critic

Analizaţi diagramele prezentate în figura alăturată, diagrama izotermelor Adrews (obţinută în urma comprimării izoterme a dioxidului de carbon), diagramă în care sunt puse în evidenţă şi zonele ce corespund fazei de vapori, fazei lichide, zona palierelor, zonă ce corespunde vaporilor saturanţi, fiind delimitată şi zona stării gazoase.

Remarcaţi faptul că: în urma unei comprimări izoterme, se obţin vapori saturanţi, în

echilibru cu faza lichidă, presiunea menţinându-se constată până când toată masa de substanţă se transformă în lichid.;

fiind continuată comprimarea, pentru variaţii foarte mici ale volumului, presiunea creşte foarte mult, remarcându-se astfel o caracteristică a lichidelor (cunoaşteţiI faptul că lichidele sunt practic incompresibile);

lărgimea palierelor se micşorează o dată cu creşterea temperaturii;

deasupra punctului critic (pC, TC, VC) nu mai poate fi obţinut lichid prin comprimare.

Pentru a putea fi înţeleasă semnificaţia stării critice, este prezentată în figura de mai jos dependenţa energiei potenţiale a interacţinii intermoleculare pentru un lichid.

În condiţiile în care energia cinetică medie a moleculelor (ce depinde de temperatură, T) este mai mare decât adâncimea gropii de potenţial (Ep0), nu mai poate fi realizată faza lichidă, oricare ar fi presiunea exercitată., valoarea temperaturii pentru care energia cinetică medie a moleculelor este egală cu Ep0 reprezintând temperatura stării critice, TC .

Echilibrul fazelor

Analizaţi diagrama echilibrului fazelor pentru apă, diagramă în care sunt prezentate curbele p (T) ce corespund stărilor de echilibru dintre faze, fiind ales acest exemplu pornind de la importantul rol al apei în natură.

Remarcaţi cele trei curbe ce corespund echilibrului fazelor lichid–vapori (L-V), solid-vapori (S-V), solid-lichid (S-L), precum şi punctul de intersecţie al acestora, punctul triplu, ce corespunde echilibrului celor

4

TC

Punct tripluvapori

p

T

S-V

L-V

S-L

solid

lichid

gaz

Diagrama echilibrului de fază pentru apă

gaz

vaporiVapori saturanţi

lichid

p

VDiagrama Andrews

d = distanţa de echilibru a moleculelor lichiduluiEp0 = minimul energiei potenţiale a interacţiunii moleculare (- 0,7eV pentru apă, groapa de potenţial fiind de ≈ 350 de ori mai adâncă faţă de hidroden)R0 = raza de acţiune moleculară (de ≈ 8 ori mai mare pentru apă, comparativ cu valoarea pentru hidrogen)

Ep0

Ep

rd

R0

trei faze. Puteţi constata faptul că pentru o anumită valoare a presiunii, există o anumită valoare a temperaturii pentru care se obţine echilibrul fazelor.

Identificaţi în diagrama fazelor şi zonele din planul p,V ce corespund fazei solide, lichide, de vapori, remarcând faptul că pentru orice valoare a presiunii, pentru T > TC substanţa se poate afla numai în stare gazoasă.

Este de asemenea important să cunoaşteţi faptul că punctul triplu (ce corespunde echilibrului celor trei faze), prin parametrii ce-l definesc, reprezintă o caracteristică a fiecărei substanţe, existând şi substanţe ce prezintă chiar mai multe puncte triple.

Deoarece comportarea apei este un reper important al dezvoltării subiectului prezentat, sunt prezentate în continuare câteva caracteristi ale acesteia ce se manifestă la tranziţiile de fază.

Căldura latentă specifică de topire a gheţii este mai mare comparativ cu a altor substanţe, iar acest lucru este important de cunoscut pentru că astfel se justifică topirea lentă a zăpezilor, o valoare mai mare a acestui coeficient ar avea efecte importante prin amploarea inundaţiilor ce se produc în urma topirii zăpezii.

În tabelul de prezentare al bilanţul energetic al proceselor, remarcaţi exisţa un marcaj pentru procedele de topire şi solidificare. La ce se referă această semnalare? Majoritatea substanţelor se comportă la topire şi solidificare astfel : volumul lor creşte în urma topirii, contractându-se la solidificare. Există însă substanţe, printre care şi apa, constituent chimic important al planetei noastre, care prezintă o comportare mai specială, iar această comportare a apei are un rol important în natură.

5