Transformri de faz

Transformri de faz

Faza unui sistem reprezint o parte omogen, distinct din punct de vedere fizic, delimitat de celelalte pri ale sistemului printr-o suprafa bine precizat.

Prin transformare de faz (tranziie de faz) se nelege trecerea substanei dintr-o faz ntr-o alt faz. Dou sau mai multe faze sunt n echilibru (echilibru de faz) dac la contactul acestora masa fiecreia se menine constant n timp. Echilibrul a dou faze n contact presupune : echilibru termic ntre cele dou faze (aceeai temperatur), nerealizarea acestei condiii determinnd un flux termic ntre componentele sistemului;

echilibru mecanic (aceeai presiune), nerealizarea acestei condiii determinnd un flux de substan ntre componentele sistemului. Vaporii aflai n echilibru dinamic cu lichidul din care provin se numesc vapori saturani. La echilibrul dinamic numrul de molecule care prsesc lichidul este egal cu numrul moleculelor vaporilor care se rentorc n lichid. Presiunea exercitat de vaporii saturani, pm (presiunea maxim a vaporilor saturani) reprezint cea mai mare valoare a presiunii vaporilor pentru o temperatur dat i totodat este presiunea de echilibru lichid - vapori. Valoarea pm crete neliniar cu temperatura. Temperatur critic: pentru temperaturi mai mari dect aceast valoare, substana se va afla numai n stare gazoas, pentru orice valoare a presiunii. Stare critic :

caracterizat prin parametrii pC, VC, TC;

starea n care densitatea vaporilor devine egal cu a lichidului; starea n care tensiunea superficial a lichidului este zero.

( Denumirea de vapori este dat gazului aflat la temperaturi sub valoarea temperaturii critice ce poate fi transformat n lichid. Stare tripl : starea n care pot coexista cele trei faze: faza solid, lichid i faza de vapori.

Procese cu tranziie de fazTranziii de faz se produc permanent att la suprafaa terestr, ct i n atmosfer. De aceea este important s cunoatei care sunt aceste procese, n ce condiii pot avea loc, care sunt factorii care influeneaz desfurarea lor, respectiv n ce condiii se poate realiza echilibrul a dou sau mai multe faze. Pentru bilanul energetic al sistemului Pmnt-atmosfer, este de asemenea necesar s cunoatei modul n care anumite tranziii de faz ale apei pot influena un astfel de bilan. Descrierea proceselorNotaii folosite:

p : presiunea vaporilorTf : temperatur de fierbere

pm : presiunea vaporilor saturani

Tt : temperatura de topire

TC temperatura critic

p0 : presiunea atmosferic

TC: temperatura ctitic

Traziiile de faz se produc izoterm.

La o presiune dat, temperatura la care se produc procesele reversibile, este aceeai. Transformare de fazFazele ntre care se produce tranziiaCodiii de desfurare a tranziiei de faz Observaii

Vaporizare

n volum limitat

n vid

lichid-vaporiSe poate produce numai la temperaturi mai mici dect TC

se produce instantaneu;

procesul nceteaz atunci cnd presiunea vaporilor din incint devine egal cu presiunea vaporilor saturani (p = pm), situaie n care vaporii din incint devin saturani;Valoarea presiunii vaporilor saturani (pm):

pentru o temperatur dat, depinde numai de natura substanei; este independent de masa vaporilor sau de masa lichidului cu care acetia sunt n contact ; se menine constant dac temperatura lichidului nu se modific

n atmosfera gazoas se desfoar relativ lent;

procesul nceteaz atunci vaporii din incint devin saturani;Valoarea pm este independent de presiunea gazului din incint, presiunea amestecului de gaze i vapori saturani fiind calculat ca suma presiunilor pariale ale componentelor (presiuni pe care fiecare component l-ar determina dac ar ocupa singur ntregul volum).

n volum nelimitat:

evaporare se produce la suprafaa lichidului; procesul are loc dac:

p < pm , iar p0 >pm;

procesul este favorizat de prezena unor particule de praf, picturi de lichid, bule de gaz, ioniViteza de evaporare (masa de lichid, sau volumul ce se evapor n unitatea de timp) putnd fi determinat cu ajutorul urmtoarei relaii:v = K ,S : aria suprafeei la nivelul creia se prodece evaporarea.k depinde de unitile alese (dac viteza se calculeaz ca debit de volum sau debit masic), de natura substanei, de viteza aerului la suprafaa lichidului.

fierbere se produce n toat masa lichidului;

procesul are loc dac:

p0 = pmLa o presiune dat, Tf (temperatura vaporilor de la suprafaa lichidului n timpul fierberii) depinde numai de natura lichidului i n mic msur de presiunea de la suprafaa lichidului.

Transformare de fazFazele ntre care se produce tranziiaCodiii de desfurare a tranziiei de fazObservaii

condensareaa (lichefiere)vapori-lichidSe poate produce numai la temperaturi mai mici tect TC

procesul ncepe atunci cnd:

p > pm

procesul este favorizat de prezena unor centri de condensare (particule de praf, picturi de lichid, bule de gaz, ioni

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

Topire

solid-lichid:

solid amorf-lichid

solid cristalin-lichid

procesul se produce treptat, tranziia la faza lichid realizndu-se ntr-un interval de temperatur

Existena unui punct de topire este o caracteristic a solidelor cristaline, deosebindu-le de cele amorfe.

La o presiune dat, Tt depinde numai de natura substanei i ntr-o anumit msur de presiunea ce se exercit asupra corpului.

Pentru o substan care se dilat la topire, temperatura de topire crete cu presiunea, iar pentru cele care se contract la topire, Tf scade cu presiunea.

procesul se produce la o anumt temperatur bine determinat, Tt

solidificarelichid-solidproces reversibil solidificrii, prezentnd aceleai caracteristici

sublimaresolid-vapori proces asemntor evaporrii, fiind definit o presiune maxim a vaporilor saturani, vapori aflai n echilibru cu faza solid. Acest proces are loc la o animit temperatur (temperatur de sublimare).Temperaturi de sublimare i corespunde o presiune de echilibru a fazelor, reprezentnd presiunea vaporilor saturani. Temperatura de sublimare crete neliniar cu presiunea.

desublimare

vapori-solidproces reversibil solidificrii, prezentnd aceleai caracteristici

Bilan energetic al proceselorn timpul acestor transformri de faz, distanele intermoleculare se modific, ceea ce va determina schimbarea valorii energiei interne a sistemului (pentru valori diferite ale distanelor intermoleculare, energia potenial datorat interaciunii dintre molecule are valori diferite). Atunci cnd valoarea distanelor intermoleculare crete, Ep intern crete, astfel U>0 (Ec datorat micrii termice fiiind constat, tranziiile de faz desfurndu-se la temperatur constant). Pentru procesele ce se desfoar cu micorarea distanelor intermoleculare, energia intern a sistemului scade, determinnd scderea energiei interme a sistemului (U0, iar la comprimare L 0

LV > 0QV = UV + LV > 0, sistemul primete cldur

QV/m = V ( cldur latent specific de vaporizare)V = L

condensare

( lichefiere)UL < 0LL < 0QL = UV + LV < 0, sistemul cedeaz cldur

IQLI /m = L ( cldur latent specific de lichefiere)

topireUt > 0Lt>0 sau Lt > 0Qt = Ut + Lt > 0, sistemul primete cldur

Qt /m = t ( cldur latent specific de topire)t = s

solidificareUS < 0LS0QS = US + LS < 0, sistemul cedeaz cldur

IQSI /m = s ( cldur latent specific de solidificare)

sublimare Usub > 0Lsub > 0Qsub = Usub + Lsub > 0, sistemul primete cldur

Qsub/m = sub ( cldur latent specific de sublimare)sub = d

desublimareUd < 0Ld < 0Qd = Ud + Ld < 0, sistemul cedeaz cldur

IQdI /m = d(cldur latent specific de desublimare)

Analiznd informaiile prezentate n tabelul anterior, vei constata faptul c valorile acestui coeficient sunt egale pentru procesele vaporizare-condensare, topire-solidificare, sublimare-desublimare, acest lucru punnd n eviden reversibilitatea transformrilor de faz.

Semnificaia punctului criticAnalizai diagramele prezentate n figura alturat, diagrama izotermelor Adrews (obinut n urma comprimrii izoterme a dioxidului de carbon), diagram n care sunt puse n eviden i zonele ce corespund fazei de vapori, fazei lichide, zona palierelor, zon ce corespunde vaporilor saturani, fiind delimitat i zona strii gazoase.

Remarcai faptul c:

n urma unei comprimri izoterme, se obin vapori saturani, n echilibru cu faza lichid, presiunea meninndu-se constat pn cnd toat masa de substan se transform n lichid.; fiind continuat comprimarea, pentru variaii foarte mici ale volumului, presiunea crete foarte mult, remarcndu-se astfel o caracteristic a lichidelor (cunoateiI faptul c lichidele sunt practic incompresibile);

lrgimea palierelor se micoreaz o dat cu creterea temperaturii;

deasupra punctului critic (pC, TC, VC) nu mai poate fi obinut lichid prin comprimare. Pentru a putea fi neleas semnificaia strii critice, este prezentat n figura de mai jos dependena energiei poteniale a interacinii intermoleculare pentru un lichid.

n condiiile n care energia cinetic medie a moleculelor (ce depinde de temperatur, T) este mai mare dect adncimea gropii de potenial (Ep0), nu mai poate fi realizat faza lichid, oricare ar fi presiunea exercitat., valoarea temperaturii pentru care energia cinetic medie a moleculelor este egal cu Ep0 reprezintnd temperatura strii critice, TC .

Echilibrul fazelorAnalizai diagrama echilibrului fazelor pentru ap, diagram n care sunt prezentate curbele p (T) ce corespund strilor de echilibru dintre faze, fiind ales acest exemplu pornind de la importantul rol al apei n natur. Remarcai cele trei curbe ce corespund echilibrului fazelor lichidvapori (L-V), solid-vapori (S-V), solid-lichid (S-L), precum i punctul de intersecie al acestora, punctul triplu, ce corespunde echilibrului celor trei faze. Putei constata faptul c pentru o anumit valoare a presiunii, exist o anumit valoare a temperaturii pentru care se obine echilibrul fazelor. Identificai n diagrama fazelor i zonele din planul p,V ce corespund fazei solide, lichide, de vapori, remarcnd faptul c pentru orice valoare a presiunii, pentru T > TC substana se poate afla numai n stare gazoas. Este de asemenea important s cunoatei faptul c punctul triplu (ce corespunde echilibrului celor trei faze), prin parametrii ce-l definesc, reprezint o caracteristic a fiecrei substane, existnd i substane ce prezint chiar mai multe puncte triple.

Deoarece comportarea apei este un reper important al dezvoltrii subiectului prezentat, sunt prezentate n continuare cteva caracteristi ale acesteia ce se manifest la tranziiile de faz.

Cldura latent specific de topire a gheii este mai mare comparativ cu a altor substane, iar acest lucru este important de cunoscut pentru c astfel se justific topirea lent a zpezilor, o valoare mai mare a acestui coeficient ar avea efecte importante prin amploarea inundaiilor ce se produc n urma topirii zpezii.

n tabelul de prezentare al bilanul energetic al proceselor, remarcai exisa un marcaj pentru procedele de topire i solidificare. La ce se refer aceast semnalare? Majoritatea substanelor se comport la topire i solidificare astfel : volumul lor crete n urma topirii, contractndu-se la solidificare. Exist ns substane, printre care i apa, constituent chimic important al planetei noastre, care prezint o comportare mai special, iar aceast comportare a apei are un rol important n natur.

Viteza de variaie a presiunii cu temperatura, n lungul curbelor echilibrului de faz, este dat de relaia :dp/dT = q/ [T(v2-v1)] ( ecuaia Clausius-Clapeyron)

unde :

q = Q/(cldura consumat/eliberat n timpul tranziiei de faz, numit cldur latent, ce corespunde unui kmol de substan)

v2, v1 reprezentnd volumele molare ce corespund celor dou faze

(v = V/)

Apelai la aceast relaie pentru a descrie comportarea n punctul critic

gaz

vapori

Vapori saturani

lichid

p

Diagrama Andrews

V

Diagrama echilibrului

de faz pentru ap

gaz

lichid

solid

S-L

L-V

S-V

T

p

vapori

Punct triplu

TC

Ep0

r

Ep

d

d = distana de echilibru a moleculelor lichidului

Ep0 = minimul energiei poteniale a interaciunii moleculare (- 0,7eV pentru ap, groapa de potenial fiind de 350 de ori mai adnc fa de hidroden)

R0 = raza de aciune molecular (de 8 ori mai mare pentru ap, comparativ cu valoarea pentru hidrogen)

R0

_1092334977.unknown