نمودار فازی آب

نمودار فازی آب

نمودار فازی آب(Phase diagram of water) نموداری است که در آن ارتباط بین فاز های مختلف آب بررسی می شود. آب در دماهای مختلف حالت گاز، مایع و جامد در طبیعت وجود دارد. نوع تبدیل آنها به یکدیگر، به خواص ترمودینامیکی بستگی دارد. در نمودار فازی به بررسی این خواص نیز پرداخته می شود. نمودار T-S آب یکی از مهمترین نمودار ها در ترمودینامیک و مهندسی مکانیک می باشد.

نمودار فشار- دمای تغییر فاز

همان طور که مشخص است، بیشتر مواد در بیشتر از یک فاز موجود می باشند (فاز قسمتی از ماده است که دارای خواص فیزیکی و شیمیایی یکسان می باشد). یعنی مواد می توانند جامد، مایع و یا گاز باشند. حتی بعضی از مواد بیشتر از یک فاز جامد دارند. به عنوان مثال کربن می تواند به عنوان گرافیت، الماس و یا خانواده ی C60 وجود داشته باشد.

 تصور کنید کاغذی برداشته و نموداری بکشیم که محور عمودی آن مبین فشار بوده و محور افقی آن دما را نشان دهد. اکنون فرض کنید سیستم مورد نظردر یک فشار و دمای خاص قرار دارد. بنابراین می توان فاز سیستم را در این حالت مشاهده کرد. این فاز گاز (g)، مایع (L) یا جامد (S) است. اگر نقطه ی مربوط به فشار و دمای موجود را بر روی نمودار فشار-دمای ترسیم شده علامت زده و علامت اختصاری مربوط به فاز ماده را در آن نقطه بنویسیم، برای چندین حالت ترکیبی از فشار و دما به نموداری مشابه نمودار زیر خواهیم رسید:

 

اگر این عمل را در نقاط زیادی با فشارها و دماهای مختلف انجام داده، فاز ماده را در نقاط مورد نظر مشاهده کرده و آنها را بر روی نمودار مشخص کنیم، ملاحظه می کنیم که این فاز ها در نواحی خاصی از هم جدا می شوند. اگر این عمل را در حالت حدی در بینهایت نقطه انجام دهیم، ملاحظه می شود که این نواحی توسط منحنی هایی از یکدیگر جدا می شوند.

خطی که نواحی جامد و مایع را از یکدیگر جدا می کند، melting curve ، خطی که نواحی مایع و گاز را از یکدیگر جدا می کند vaporization curve و خطی که نواحی جامد و گاز را از یکدیگر جدا می کند را sublimation curve می نامیم. انرژی لازم برای سیال به منظور تغییر فاز یافتن از مایع به گاز را آنتالپی تبخیر می نامند. در نواحی بین خطوط تنها همان فازی که علامت اختصاری آن ملاحظه می شود، وجود دارد. بر روی خطوط، دو فازی که در دو طرف خط دیده می شوند با یکدیگر در تعادلند و همراه با یکدیگر در ترکیب وجود دارند. نقطه ای که در آن سه منحنی با یکدیگر برخورد می کنند، نقطه ی سه گانه (triple point) نامیده می شود. در نقطه سه گانه، هر سه فاز با یکدیگر در تعادلند. قابل ذکر است که این سه فاز تنها می توانند در یک نقطه با یکدیگر در تعادل

 

خطی که نواحی جامد و مایع را از یکدیگر جدا می کندmelting curve ، خطی که نواحی مایع و گاز را از یکدیگر جدا می کندvaporization curve  و خطی که نواحی جامد و گاز را از یکدیگر جدا می کندsublimation curve  نامیده می شود. برای تغییر فاز سیال، انرژی ای لازم است که به آن انرژی نهان می گوییم. به عنوان مثال انرژی لازم برای سیال به منظور تغییر فاز یافتن از حالت مایع به گاز را انرژی نهان تبخیر یا آنتالپی تبخیر می نامند. علت نام گذاری این انرژی به نام انرژی نهان، این است که در زمان تغییر فاز هیچ تغییر دمایی در سیستم اتفاق نیفتاده و تغییر فاز در دمای ثابت روی می دهد. در نواحی بین خطوط، تنها همان فازی که علامت اختصاری آن ملاحظه می شود، وجود دارد. بر روی خطوط، دو فازی که در دو طرف خط دیده می شوند با یکدیگر در تعادلند و همراه با یکدیگر، در ترکیب وجود دارند. نقطه ای که در آن سه منحنی با یکدیگر برخورد می کنند، نقطه ی سه گانه(triple point) نامیده می شود. در نقطه سه گانه، هر سه فاز با یکدیگر در تعادلند. قابل ذکر است که این سه فاز تنها می توانند در همین نقطه با یکدیگر در تعادل باشند. اگر نقطه سه گانه فشاری کمتر از فشار اتمسفر داشته باشد، نقطه ی ذوب و جوش آن را نرمال تعریف می کنیم. نقطه ی ذوب نرمال، دمایی است که در آن دما ماده در فشار اتمسفر ذوب می شود(همان طور که می دانیم نقطه ی ذوب با تغییر فشار تغییر می کند). نقطه ی جوشش نرمال، دمایی است که در آن، ماده در فشار یک اتمسفر می جوشد.

تعادل در نقطه ی سه گانه

تبدیل مستقیم جامد به بخار در فشار پایین تر از فشار نقطه سه گانه

نقطه ی بحرانی در نمودار فازی آب

در نمودار فازی نقطه ای به نام نقطه ی بحرانی تعریف می شود که در بالای آن، ماده به هیچ وجه نمی تواند به مایع تبدیل شود. این موضوع به این معناست که منحنی فشار بخار باید در این نقطه تمام شود.

از آنجا که تعریف نقطه ی بحرانی با ابهامات زیادی همراه است، این نقطه را با حساسیت بیشتری معرفی خواهیم کرد. در دماهای بالا، ذرات گاز انرژی جنبشی خیلی بالایی دارند. این انرژی در حدی بالاست که آنها به هیچ عنوان نمی توانند به مایع تبدیل شوند. بالاترین دمایی که در آن گاز و مایع می توانند با یکدیگر در تعادل باشند، به عنوان نقطه ی بحرانی شناخته می شود. فشاری که برای مایع کردن گاز در دمای بحرانی مورد نیاز است را فشار بحرانی می گوییم. اطلاعات مربوط به فشار و دمای بحرانی را در روی نمودار به عنوان نقطه ی بحرانی تعریف می کنیم. در دماهای بالاتر از نقطه ی بحرانی، ماده را به عنوان سیال فوق بحرانی یاsupercriticsl fluid  نام گذاری می کنند. رفتار ماده در این حالت بسیار جالب است. یک سیال فوق بحرانی کشش سطحی نداشته و لزجت بسیار کمی دارد، در حالی که چگالی آن هنوز همان چگالی مایع بوده و حلال بسیار خوبی می باشد.

معرفی خواص ترمودینامیکی آب

می دانیم که حالت یک ماده تراکم پذیر ساده، با دو خاصیت مستقل مشخص می شود. دو خاصیت وقتی مستقل می شوند که یکی از آنها ثابت باشد و دیگری بتواند تغییر کند.  هنگامی که دو خاصیت مناسب انتخاب شدند، باقی خواص وابسته می شوند. به عنوان مثال دما و حجم مخصوص همیشه دو خاصیت مستقل از هم می باشند و می توانند با هم حالت یک سیستم تراکم پذیر ساده را مشخص کنند . دما و فشار برای سیستم های تک فازی، مستقل از هم بوده ولی برای سیستم های چند فازی، وابسته به هم می باشند. در شکل زیر نمودار فشار-دما-حجم مخصوص یک ماده ی تک جزئی مثل آب را مشاهده می کنیم. (ماده تک جزئی ماده ایست که در حالت جامد تنها یک ساختار دارد.)

می توان این نمودار را در هر دو صفحه ی دلخواهی مشاهده کرد. اگر این نمودار را در صفحه ی فشار-حجم مخصوص ملاحظه کنیم، به شکل زیر خواهد بود:

نمودار فشار-حجم مخصوص آب

در شکل های بالا ملاحظه می شود که در نمودار، منحنی هایی به نام های مایع اشباع و بخار اشباع وجود دارند. واژه ی اشباع به این معنی است که اگر اندکی حرارت به سیال داده شود یا از آن گرفته شود، بلافاصله تغییر فاز صورت می گیرد. مایع اشباع با جذب اندکی حرارت بلافاصله تبدیل به بخار شده و بخار اشباع با از دست دادن اندکی حرارت بلافاصله تبدیل به مایع می شود. به مخلوط مایع اشباع و بخار اشباعی که در فضای محفظه حاوی آنها وجود دارد نیز مخلوط اشباع می گوییم. واژه ی دیگری که با آن سر و کار داریم، بخار سوپرهیت است. بخار سوپرهیت بخاری است که حرارتی بیشتر از حالت اشباع را در خود جای داده است. به معنای دیگر، این بخار با از دست دادن انرژی بلافاصله مایع نمی شود. بخار سوپرهیت در سمت راست منحنی بخار اشباع قرار می گیرد. در این فضا، ماده تک فازی است و می توان در جداول مربوط به آن، از دما و فشار به عنوان خواص مستقل ترمودینامیکی استفاده کرد. همچنین مایع متراکم، مایعی است که در شرف تبدیل شدن به بخار قرار ندارد. به این معنا که با جذب حرارت تنها افزایش دما می دهد.در صورت نداشتن اطلاعات مربوط به مایع متراکم، می توان آن را در دمای داده شده به صورت مایع اشباع در نظر گرفت. این مطلب به این معناست که مایع متراکم تابع قوی تری از دما می باشد تا فشار.

نمودار دما-حجم مخصوص آب

در شکل زیر منحنی دما-حجم مخصوص آب را در فشارهای مختلف ملاحظه می کنید. اعدادی که در ناحیه ی بخار سوپرهیت بر روی نمودار نوشته شده اند، مقادیر خطایی هستند که در صورت فرض کردن بخار در آن نقطه به عنوان گاز ایده آل رخ می دهند.

منحنی دما-حجم مخصوص آب در فشارهای مختلف

منابع و پیوند ها

گرد آوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

لیست مقالات مهندسی مکانیک

کتاب ترمودینامیک سنجل

کتاب ترمودینامیک پیشرفته مهندسی

کتاب علم ترمودینامیک رهیافتی در مهندسی

کتاب ترمودینامیک با نگرش مهندسی

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلا مانع است

نمودار فازی ازدید Wikipedia.org

این نمودارها پایداری فازی مواد خالص را نشان می‌دهند. متغیرهای موجود در این نمودارها: دما، فشار و حجم هستند. پس ۳ متغیر در این نمودارها وجود دارد. یک نمونه از این نمودارها در شکل  نشان داده شده است.

نمودار فازی

با تصویر کردن این نمودار سه‌بعدی بر روی یکی از صفحات مختصات دکارتی، می‌توان یک نمودار صفحه‌ای بدست آورد. گرچه در این حالت مقداری از اطلاعات موجود در نمودار از دست می‌رود ولی بررسی آن بر روی کاغذ ساده‌تر می‌شود. که معمولاً از نمودار P-V یا P-T به این منظور استفاده می‌شود...ادامه

نمودار فازی ازدید mzp66.blogfa.com

…ادامه

نمودار فازی ازدید science.uwaterloo.ca

A diagram showing the various phases of a system is called a phase diagram. Phase diagrams for a pure compound such as phase diagrams for water and carbon dioxide are phase diagrams for a single component system. In these diagrams, pressure (P) and temperature (T) are usually the coordinates. The phase diagrams usually show the (P, T) conditions for stable phases…more