11.13: مخطّطات المرحلة

يجمع مخطط الطور بين مخططات الضغط مقابل درجة الحرارة لتوازنات انتقال طور الغاز السائل، والصلب السائل، والغاز الصلب للمادة. تشير هذه المخططات إلى الحالات الفيزيائية الموجودة في ظل ظروف معينة للضغط ودرجة الحرارة وتوفر أيضًا اعتماداً على الضغط لدرجات حرارة انتقال الطور (نقاط الانصهار ، نقاط التسامي، نقاط الغليان). تمثل المناطق أو المناطق التي تحمل علامة صلبة وسائلة وغازية مراحل واحدة، بينما تمثل الخطوط أو المنحنيات مرحلتين تتعايشان في حالة توازن (أو طور) نقاط التغيير). تشير النقطة الثلاثية إلى ظروف الضغط ودرجة الحرارة التي تتعايش فيها المراحل الثلاث. وعلى النقيض من ذلك، تشير النقطة الحرجة إلى درجة الحرارة والضغط التي فوقها مرحلة واحدة— خصائصها الفيزيائية هي وسيطة بين الحالة الغازية والسائلة— موجود.

Figure 1. مخطط نموذجي مرحلي.

يحدد مخطط الطور الحالة الفيزيائية للمادة في ظل ظروف محددة للضغط ودرجة الحرارة. لتوضيح فائدة هذه المخططات ، ضع في اعتبارك مخطط طور الماء ، الموضح أدناه .

Figure 2. مخطط طور الماء.

ضغط 50 كيلو باسكال ودرجة حرارة −10 °C يتوافق مع منطقة الرسم البياني المسمى “جليد.” في ظل هذه الظروف ، يوجد الماء فقط كمادة صلبة. يقابل ضغط 50 كيلو باسكال ودرجة حرارة 50 °C المنطقة التي يوجد فيها الماء فقط كسائل. عند 25 كيلوباسكال و 200 °C، يوجد الماء فقط في الحالة الغازية. المنحنى BC هو منحنى بخار السائل الذي يفصل بين المناطق السائلة والغازية في مخطط الطور ويوفر نقطة غليان الماء عند أي ضغط. على سبيل المثال ، عند 1 atm ، تكون نقطة الغليان 100 °C. لاحظ أن منحنى بخار-سائل ينتهي عند درجة حرارة 374 & # 176 ؛ C وضغط 218 atm ، مما يشير إلى أن الماء لا يمكن أن يوجد كسائل فوق درجة الحرارة هذه ، بغض النظر عن الضغط. الخصائص الفيزيائية للماء في ظل هذه الظروف هي وسيطة بين تلك الخاصة بمرحلتها السائلة والغازية. هذه الحالة الفريدة للمادة تسمى السائل فوق الحرج. يشير منحنى بخار-صلب المسمى AB إلى درجات الحرارة والضغوط التي يكون فيها الجليد وبخار الماء في حالة توازن. تتوافق أزواج بيانات درجة الحرارة والضغط هذه مع نقاط التسامي أو الترسيب للمياه.

يوضح منحنى سائل-صلب المسمى BD درجات الحرارة والضغوط التي يكون عندها الجليد والماء السائل في حالة توازن، مما يمثل نقاط انصهار/تجميد الماء. لاحظ أن هذا المنحنى يُظهر ميلًا سلبيًا طفيفًا، مما يشير إلى أن نقطة انصهار الماء تنخفض قليلاً مع زيادة الضغط. يعتبر الماء مادة غير معتادة في هذا الصدد ، حيث أن معظم المواد تظهر زيادة في درجة الانصهار مع زيادة الضغط. نقطة تقاطع جميع المنحنيات الثلاثة— المسماة B— هي النقطة الثلاثية للماء، حيث تتعايش المراحل الثلاث في حالة توازن. عند ضغوط أقل من النقطة الثلاثية، لا يمكن أن يوجد الماء كسوائل، بغض النظر عن درجة الحرارة.

ضع في اعتبارك مخطط الطور لثاني أكسيد الكربون كمثال آخر.

Figure 3. مخطط الطور لثاني أكسيد الكربون.

يُظهر منحنى السائل الصلب ميلاً موجباً، مما يشير إلى أن نقطة انصهارCO₂ تزداد مع الضغط كما هو الحال بالنسبة لمعظم المواد. لاحظ أن النقطة الثلاثية أعلى بكثير من 1 atm، مما يشير إلى أن ثاني أكسيد الكربون لا يمكن أن يوجد كسائل تحت ظروف الضغط المحيط. بدلاً من ذلك ، يؤدي تبريد ثاني أكسيد الكربون الغازي عند 1 ضغط جوي إلى ترسبه في الحالة الصلبة. وبالمثل ، لا يذوب ثاني أكسيد الكربون الصلب عند ضغط 1 ضغط جوي ولكن بدلاً من ذلك يتسامى لينتج غازCO₂. أخيراً، يتم ملاحظة النقطة الحرجة لثاني أكسيد الكربون عند درجة حرارة وضغط متواضعين نسبيًا مقارنة بالماء.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 10.4: Phase Diagrams.

يمكن لثاني أكسيد الكربون أن يتواجد في حالة الصلابة،والسيولة،والغازية تحت درجات حرارة وكميات ضغط معينة. هذه التبعية رُسمت في مخطط يبين المراحل،ويحتوي على ثلاث ملامح عامة:المناطق،والخطوط،والنقاط. تمثل المناطق أحوال الحرارة والضغط في مرحلة واحدة.

تحت ضغط قياسي،يمكن لثاني أكسيد الكربون أن يكون في حالة الصلابة أو الغازية،وذلك يتوقف على درجة الحرارة. عند معدل ضغط أقل من 5.1 جو،إذا جرى رفع درجة حرارة ثاني أكسيد الكربون،فإنه مباشرة سيتحول إلى المرحلة الغازية دون المرور بمرحلة السائل. التحول عبر المراحل الثلاث الصلابة إلى السيولة و السيولة إلى الغازية سيحدث عندما يكون الضغط أعلى من 5.1 جو.

الخطوط والمنحنيات الفاصلة بين المناطق،تدل على درجات الحرارة وكميات الضغط،التي تكون فيها المراحل في أي من طرفي المنحنى في حالة توازن. على سبيل المثال،النقطة التي تمثل جو،واحد و درجة 78.5 مئوية تقع على المنحنى الفاصل ما بين مرحلتي الصلابة والبخار،وبالتالي يوجد توازن بين الصلب والبخار في هذه الظروف. وعليه،يسمى هذا منحنى التسامي.

وبالمثل،فإن التوازن بين السائل والغاز يوجد على منحنى التبخر،وكذلك توازن الصلب والسائل يوجد على منحنى الانصهار. هذه المنحنيات تعرف بشكل عام بالحدود بين المراحل. عند ضغط مقداره 5.1 جو،ودرجة حرارة 56.6 مئوية سوف تلتقي المراحل الثلاث في الوقت ذاته.

وهذه هي نقطة الحالات الثلاث لثاني أكسيد الكربون. عند ضغط 73 جو ودرجة حرارة 31 مئوية،فإن مرحلتي السيولة والبخار لثاني أكسيد الكربون سوف تلتحمان في مرحلة واحدة،فوق الحرجة للسائل. وهذه هي النقطة الحرجة لثاني أكسيد الكربون.

في المنطقة الواقعة بعد النقطة الحرجة،لا يستطيع أي تغيير للضغط أو لدرجة الحرارة أن يحول سائل فوق الحرج إلى غاز أو سائل. المخطط الذي يمثل مراحل الماء،تظهر فيه اختلافات ملحوظة عن مخطط ثاني أكسيد الكربون. منحنى الانصهار لثاني أكسيد الكربون يُظهر انحدارًا إيجابيًا،بينما الانحدار في مخطط الماء سلبي.

وهذه خاصية شاذة للماء. زيادة الضغط تؤدي إلى التحول من السيولة إلى الصلابة،في ثاني أكسيد الكربون،بينما تؤدي إلى التحول من الصلابة إلى السيولة في الماء. الضغط الأعلى يفضل حالة الصلابة ذات الكثافة الأعلى لثاني أكسيد الكربون.

في حالة الماء،يكون التفضيل لحالة السيولة ذات الكثافة الأعلى.