דיאגרמת פאזות תלת ממדית.
דיאגרמת פאזות תלת ממדית
אפשר להציג דיאגרמת פאזות כתלות בשלושה פרמטרים תרמודינמיים. לדוגמה עבור חומר אחד, ניתן להציג במערכת קרטזית של 3 צירים: טמפרטורה T, לחץ p ונפח סגולי v, לעיתים גרף זה נקרא דיאגרמת p-v-T, תיאור סכימתי מוצג באיורים (4,5). תנאי שיווי משקל מוצגים כעקומות על גבי משטח עקום בתלת מימד, עם אזורים עבור מוצק, נוזל וגז, ואזורי דו קיום של שתי פאזות: נוזל וגז, נוזל ומוצק, מוצק וגז. בדיאגרמה זו ישנו קו "משולש" שבו מתקיימות שלוש הפאזות בו זמנית בשיווי משקל. הנקודה הקריטית בדיאגרמה התלת ממדית נשארת נקודה אחת, כלומר ערך אחד של כל פרמטר אשר במשולב מהווים את הנקודה הקריטית.
ההיטלים של דיאגרמה תלת ממדית p-v-T, יוצרים תרשימים דו ממדיים אשר מציגים את קווי הדו קיום של כל שתי פאזות שהם ההיטל של מישורי דו קיום מהדיאגרמה התלת ממדית.
דיאגרמת פאזות לפי מספר רכיבים.
דיאגרמת פאזות של חומר המורכב מרכיב אחד.
דיאגרמת פאזות דו-ממדית טיפוסית של רכיב אחד (חומר המורכב מסוג אחד של מולקולה, כמו למשל מים) מוצגת באיור (6). ניתן לראות שהדיאגרמה מקיימת את חוק הפאזות של גיבס כך שקיימים אזורים של פאזה אחת עם שתי דרגות חופש (לחץ וטמפרטורה), קווי דו-קיום שמאפשרים דרגת חופש אחת, לדוגמה בהינתן ערך מסוים של הלחץ, עקום הדו-קיום יקבע את הטמפרטורה. כמו כן קיימת נקודה משולשת אחת שבה מתקיימות שלוש פאזות בשיווי משקל. לפי חוק הפאזות של גיבס מתקבל כי אין מפגש של יותר משלוש פאזות בשיווי משקל עבור דיאגרמה של חומר מרכיב אחד.
מרחב p-T מחולק לשלושה אזורים, כאשר בכל אחד החומר יציב כמו בחומר עם מצב צבירה אחד. העקומות המפרידות בין האזורים מתארות דו קיום של שתי פאזות ומקיימות את משוואת קלאוזיוס-קלפרון.
כל עקומה משלוש העקומות באיור (6) מתארת את האזור במרחב הלחץ-טמפרטורה שבו שתי פאזות נמצאות בשיווי משקל ומתקיים שוויון של האנרגיה החופשית של שתי הפאזות. בנקודת החיתוך של שלוש העקומות מתקיים ששלוש האנרגיות החופשיות של שלוש הפאזות שוות זו לזו. יש ערך אחד של לחץ וערך אחד של טמפרטורה – הנקודה המשולשת שמאפשר קיום שלוש הפאזות בשיווי משקל בו זמנית.
קו הדו קיום בין נוזל למוצק ברוב החומרים הוא בעל שיפוע חיובי, כלומר ככל שעולה הלחץ, כך המולקולות של החומר מתקרבות זו לזו וכתוצאה מכך מתחזקים הכוחות הבינמולקולריים בחומר. לכן נדרשת טמפרטורה גבוהה יותר על מנת לאפשר למולקולות לצאת מהמצב הקשור במוצק ולעבור למצב נוזלי בחומר. מצב דומה מתרחש במעבר מנוזל לגז. למים תכונות אנומליות ולכן הדיאגרמה עבור מים מתנהגת שונה מבחינת הנקודות הקריטיות והשיפוע של קו דו הקיום בין הנוזל למוצק כפי שניתן לראות באיור (6) בקו הירוק המקוטע לעומת חומרים אחרים המצייתים לקו הירוק הרציף.
עבור מערכת של חומר אחד יכול להתקיים:
חלק ניכר מהמוצקים הנמצאים תחת לחץ אטמוספירי, מותכים לנוזל בחימום, כלומר, הנקודה המשולשת שבה מוצק, נוזל וגז מתקיימים בשיווי משקל בו זמנית מתרחשת בלחץ נמוך מ-1 bar. אולם לחומרים מסוימים יש נקודה משולשת בלחץ גבוה מ-1 bar (לדוגמה formula_2 )
ולכן ממריאים (עוברים ללא התכה ישירות ממוצק לגז) כאשר מחממים אותם תחת לחץ אטמוספירי. תחת לחץ גבוה גבוה משל הנקודה המשולשת הם יכולים כמובן לעבור התכה למצב נוזל בחימום.
דיאגרמת פאזות בינארית - שני רכיבים.
דיאגרמת פאזות של חומרים בינאריים, כלומר חומרים המורכבים משני חומרי בסיס כמו סגסוגות. הדיאגרמה מיוצגת לרוב על ידי ציר של החלק היחסי של שני הרכיבים בתערובת למול ציר הטמפרטורה עליו מסומנות טמפרטורות מעבר הפאזה של שני החומרים. תערובת כזו יכולה להיות בין היתר תערובת מוצקה, תערובת אוטקטית או פריטקטית. כל סוג של תערובת בינארית ייצור דיאגרמה שונה.
עבור מערכת בינארית, חוק הפאזות מקיים f=4-P, כאשר f מספר דרגות החופש ו-P מספר הפאזות, ומאפשר קיומן של עד 4 פאזות בשיווי משקל.
ניתן להציג ביותר משני ממדים דיאגרמה של פאזות החומר כתלות ב-3 פרמטרים תרמודינמיים שונים. מלבד לחץ, טמפרטורה וריכוז, ניתן להשתמש בפרמטרים אחרים כמו למשל הכוח של הפעלת שדה חשמלי או מגנטי על החומר, כמו כן ניתן להציג יותר מ-3 פאזות שונות של אותו חומר.
דיאגרמת פאזות של שני רכיבים בעלי מסיסות מלאה.
"דיאגרמת סיגר" דיאגרמה המציגה את הפאזות של שני חומרים המקיימים מסיסות מוחלטת אחד בשני. כמוצג באיור (7), הדיאגרמה הדו ממדית מוצגת לפי ציר הריכוז היחסי של כל אחד מהחומרים המרכיבים את התערובת, כפונקציה של הטמפרטורה. האזור הוורוד הוא אזור שבו מתקיימת פאזה אחת A (למשל נוזלית) של שני החומרים ביחד, האזור הכחול הוא אזור שבו מתקיימת פאזה B (למשל מוצקה) של שני החומרים ביחד, האזור הירוק תחום על ידי שני עקומים הנחתכים בשתי נקודות מעבר הפאזה של שני הרכיבים, בו כל נקודה בו מתפצלת לשתי נקודות על העקומים העליון והתחתון ולפי הערך המתאים על העקום נקבע איזו כמות מהחומר תהיה במצב צבירה A או B ומה הריכוז היחסי של כל אחד מהרכיבים בכל אחת מהפאזות. למשל עבור האיזותרמה המסומנת באדום נקבל לפי החיתוך עם העקומים את ההפרדה בין שתי הפאזות ואת הריכוז של החומר (כמה מרכיב 1 וכמה מרכיב 2) בכל אחת מהפאזות A ו-B.
ניתן לחשב את החלק היחסי של החומר בכל אחת מהפאזות לפי המשוואה הבאה:
formula_3
כאשר formula_4 החלק היחסי של החומר הכולל בפאזה A, ו- formula_5 הריכוז ההתחלתי של רכיב 1 בחומר,
formula_6 הריכוז של רכיב 1 בפאזה A, ו- formula_7 הריכוז של רכיב 1 בפאזה B.
החלק היחסי של החומר הכולל בפאזה B יהיה פשוט החלק המשלים, כלומר:
formula_8
התנאים לקיום מסיסות מוחלטת שתאפשר תיאור באמצעות דיאגרמת פאזות של מסיסות מוחלטת בין שני חומרים:
המבנה הסריגי של שני החומרים צריך להיות זהה, גודל המולקולות של שני החומרים צריך להיות דומה, טמפרטורות ההתכה של שני החומרים צריכות להיות קרובות.
באיור (7) מוצגת דוגמה היפותטית לדיאגרמת פאזות של תערובת שני חומרים 1 ו-2 שאינם אזיאוטרופים כפונקציה של הריכוז היחסי שלהם בתערובת.
האיור יכול לתאר מעבר ממוצק (פאזה B) לנוזל (פאזה A), במקרה זה העקום העליון התוחם את האזור הירוק יהיה "ליקווידוס" והעקום התחתון יהיה "סולידוס". כמו כן האיור יכול לתאר מעבר מנוזל לגז,
דוגמה לדיאגרמת מסיסות מלאה של תערובת בינארית היא דיאגרמת נקודת הרתיחה עבור תרכובת כימית של שני חומרים.
עבור שני מרכיבים נדיפים בתנאי לחץ מסוימים כמו לחץ אטמוספירי, דיאגרמת נקודת הרתיחה מציגה אילו רכיבים של אדי החומר נמצאים בשיווי משקל עם הרכב מסוים של הנוזל בתנאי טמפרטורה מסוימים. דיאגרמת פאזות בינארית של נקודת רתיחה מכילה בדרך כלל את הטמפרטורה בציר האנכי ואת הריכוז היחסי בין החומרים בציר האופקי. במקרה כזה התרשים יכלול שתי עקומות נפרדות המחברות את נקודות הרתיחה של שני החומרים במצבם הטהור, מצב זה מעיד על כך שההרכב של תערובת האדים יכול להיות שונה מההרכב של התערובת הנוזלית עימה האדים נמצאים בשיווי משקל.
דיאגרמת פאזות אוטקטית.
דיאגרמת פאזות אוטקטית מאפיינת לרוב סגסוגות (למשל Bi-Cd, Sn-Zn, Ag-Cu, Al-Si) ומכונה על שם הטמפרטורה הקריטית הקבועה או איזותרמה שמגדירה את הדיאגרמה. דיאגרמה אוטקטית מתקיימת עבור שני חומרים שאין ביניהם מסיסות מוחלטת, כאשר ההבדל בטמפרטורת ההתכה של שני החומרים לא גדול אבל הסימטריה של המוצקים שונה.
בדיאגרמה הבינארית האוטקטית שני עקומי המסיסות נחתכים בנקודה האוטקטית (מיוונית – קל מסיסות) המסומנת באדום באיור (8) (הדיאגרמה מציגה מצב של לחץ קבוע). הטמפרטורה האוטקטית נמוכה מטמפרטורות ההתכה של שני החומרים הטהורים המרכיבים את התערובת ומתקבלת כאשר האנרגיה החופשית של פאזת הנוזל ופאזות המוצקים שוות.
מעל לטמפרטורה האוטקטית מתקיימת פאזת נוזל משותפת. מתחת לטמפרטורה זו, כל הרכב של שני החומרים יהיה לא יציב כנוזל ותתרחש הפרדת פאזות של שני המוצקים.
הדיאגרמה (איור 8), מוצגת לפי הריכוז היחסי של כל אחד מהחומרים בציר האופקי והטמפרטורה בציר האנכי.
נקודות המצוינות על גבי הגרף: נקודות ההתכה של שני החומרים: עבור הציר השמאלי שבו ריכוז חומר B הוא 100% תצוין נקודת ההתכה של חומר B ובהתאם, בציר הימני שבו מתקיים ריכוז חומר A הוא 100%, תצוין נקודת ההתכה של חומר A.
ההפרדה לשתי פאזות של תערובת מוצקה מתוארת על ידי המשוואה:
formula_9.
אם המטרה היא לקבל חומר מעורב, יש תחרות בין קצב הקירור לקצב הפרדת הפאזות ותהליך קבלת התערובת נקרא "Quanching". התהליך מתחיל כאשר החומר במצב ובטמפרטורה של התערובת הנוזלית ואז מתבצע קירור בבת אחת של כל הדגם כך שהחומר לא יספיק להסתדר מחדש ולהיפרד לפאזות שונות כך שנקבע את התערובת שנוצרה כנוזל ונקבל תערובת מוצקה.
סולידוס.
היא הטמפרטורה שממנה ולמטה החומר יציב במצב מוצק, מנקודה זו יוצא עקום המתאר את הערך המתאים של ריכוז כל אחד מהרכיבים בטמפרטורה נתונה הנמצאת באזור האזור שבו לא מתקיים חומר.
ליקווידוס.
היא הטמפרטורה שממנה ומעלה החומר יציב במצב נוזל.
יכול להיות מצב של פער בין שתי הטמפרטורות הנ"ל, בתחום ביניים זה תיווצר תערובת של גביש ונוזל.
דיאגרמת פאזות פריטקטית.
מתקיימת כאשר יש הבדל גדול בין טמפרטורות ההתכה של שני החומרים בתערובת. התגובה הפריטקטית על גבי הדיאגרמה מאופיינת באיזותרמה חשובה (אפס דרגות חופש) ונראית כמו דיאגרמה אוטקטית נוטה למטה.
ניתן לתאר את התהליך על ידי המשוואה:
formula_10