موضوع مقاله: نمودار فازی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # نمودار فازی | مقدمه: نمودار فازی در شیمی فیزیک، مهندسی، کانی‌شناسی و علم مواد، نوعی نمودار است که برای نشان دادن شرایطی مانند فشار، دما و غیره به‌کار می‌رود که در آن‌ها فازهای ترمودینامیکی متمایز (مانند حالت جامد، مایع یا گاز) رخ می‌دهند و در حالت تعادل با هم هم‌زیست هستند. | ## بخش 1: نمودار فازی | نمای کلی اجزای رایج یک نمودار فازی شامل خطوط تعادل یا مرزهای فازی هستند، که به خطوطی اشاره دارند که شرایطی را مشخص می‌کنند که در آن‌ها چندین فاز می‌توانند در حالت تعادل با هم هم‌زیست باشند. فازهای نیمه‌پایدار در نمودارهای فازی نشان داده نمی‌شوند، زیرا با وجود شایع بودنشان، فازهای تعادلی محسوب نمی‌شوند. نقاط سه‌گانه شرایطی را مشخص می‌کنند که سه فاز مختلف می‌توانند هم‌زمان هم‌زیست باشند. برای مثال، نمودار فازی آب یک نقطه سه‌گانه دارد که متناظر با دمای و فشاری خاص است که در آن آب به صورت جامد، مایع و گاز می‌تواند در حالت تعادل پایدار هم‌زیست باشد (۲۷۳.۱۶ کلوین و فشار بخار جزئی ۶۱۱.۶۵۷ پاسکال). در یک نمودار فشار-دمای (مانند نمودار فازی آب)، فشار مربوط به ماده مورد نظر است (مثلاً فشار محیط برای حالت‌های چگال و فشار جزئی برای حالت گازی). خط سبز نقطه‌چین رفتار غیرعادی آب را نشان می‌دهد.خطوط قرمز دمای تصعید و خط آبی دمای جوش را نشان می‌دهند و تغییرات آن‌ها با فشار را مشخص می‌کنند. فشار-دما ساده‌ترین نمودارهای فازی، نمودارهای فشار–دمای یک ماده ساده و تک‌ماده هستند، مانند آب. نمودار فازی در فضای فشار–دمای خطوط تعادل یا مرزهای فازی بین سه فاز جامد، مایع و گاز را نشان می‌دهد. منحنی‌های موجود در نمودار فازی نقاطی را نشان می‌دهند که در آن‌ها انرژی آزاد سیستم (و دیگر خواص مشتق‌شده از آن) غیرتحلیلی می‌شود؛ یعنی مشتق‌های آن نسبت به مختصات نمودار، مانند دما و فشار در این مثال، به‌صورت ناگهانی و گسسته تغییر می‌کنند. به‌عنوان نمونه، ظرفی پر از یخ وقتی از نقطه ذوب عبور می‌کند و گرم می‌شود، ظرفیت گرمایی آن به‌طور ناگهانی تغییر می‌کند. فضاهای باز نمودار که در آن‌ها انرژی آزاد تحلیلی است، متناظر با مناطق تک‌فازی هستند. مناطق تک‌فازی توسط خطوطی که رفتار غیرتحلیلی دارند از هم جدا می‌شوند؛ در این خطوط تغییر فاز رخ می‌دهد و آن‌ها را مرزهای فازی می‌نامند. 5 وجود نقطه بحرانی فاز مایع–گاز نشان‌دهنده یک ابهام جزئی در نام‌گذاری مناطق تک‌فازی است.معمولاً هنگام عبور از فاز مایع به گاز، مرز فازی را می‌شکنیم، اما امکان دارد مسیری انتخاب شود که هرگز مرز فازی را قطع نکند؛ این مسیر از سمت راست نقطه بحرانی عبور می‌کند.در نتیجه، فازهای مایع و گاز می‌توانند به‌طور پیوسته با یکدیگر ترکیب شوند. برای اکثر مواد، مرز فازی بین جامد و مایع (یا همان منحنی ذوب) در نمودار فازی دارای شیب مثبت است؛ به این معنا که نقطه ذوب با افزایش فشار افزایش می‌یابد. با افزایش فشار روی یک ماده، مولکول‌های آن به یکدیگر نزدیک‌تر می‌شوند و اثر نیروهای بین‌مولکولی افزایش می‌یابد. آب یک استثناء محسوب می‌شود، زیرا مرز فازی بین جامد و مایع آن شیب منفی دارد؛ یعنی با افزایش فشار، نقطه ذوب کاهش می‌یابد. | ## بخش 2: نمودار فازی | این موضوع به این دلیل است که یخ (آب جامد) چگالی کمتری نسبت به آب مایع دارد، همان‌طور که از شناور بودن یخ روی آب مشخص است. در سطح مولکولی، چگالی کمتر یخ ناشی از شبکه گسترده‌تر پیوندهای هیدروژنی آن است که موجب می‌شود مولکول‌های آب فاصله بیشتری از هم داشته باشند. در فشارهای بسیار بالا، بالاتر از ۵۰ گیگاپاسکال (۵۰۰,۰۰۰ اتمسفر)، نیتروژن مایع یک تغییر فاز مایع–مایع را تجربه می‌کند و به شکل پلیمری تبدیل می‌شود و در همان فشار چگال‌تر از نیتروژن جامد می‌شود. مقدار شیب dP/dT توسط معادله کلوزیوس–کلاپیرون برای ذوب تعیین می‌شود: ​​ که در آن: ​ گرمای ذوب است که همیشه مثبت است، ​ تغییر حجم هنگام ذوب است. سایر خواص ترمودینامیکی علاوه بر دما و فشار، نمودارهای فازی می‌توانند سایر خواص ترمودینامیکی را نیز نمایش دهند. به‌عنوان مثال، نمودارهای تک‌ماده‌ای دما در مقابل آنتروپی ویژه (T-s) برای آب/بخار یا یک مبرد معمولاً برای نمایش چرخه‌های ترمودینامیکی استفاده می‌شوند، مانند چرخه کارنو، چرخه رانکین یا چرخه تبرید با تراکم بخار. در یک نمودار دوبعدی می‌توان دو کمیت ترمودینامیکی را روی محورهای افقی و عمودی نشان داد. کمیت‌های ترمودینامیکی اضافی را می‌توان با خطوطی به صورت سری نمایش داد—که ممکن است منحنی، مستقیم یا ترکیبی از منحنی و خط مستقیم باشند. هر یک از این خطوط هم‌مقدار (iso-lines) نشان‌دهنده مقدار ثابت همان کمیت ترمودینامیکی در طول آن خط است. برای مثال، برای یک ماده تک‌جزئی، یک نمودار سه‌بعدی با مختصات کارتزینی می‌تواند دمای T را روی یک محور، فشار p را روی محور دوم و حجم ویژه v را روی محور سوم نشان دهد. شرایط تعادل به‌صورت منحنی‌هایی روی یک سطح خمیده سه‌بعدی نمایش داده می‌شوند که مناطق فاز جامد، مایع و بخار و همچنین مناطقی که فازهای جامد و مایع، جامد و بخار، یا مایع و بخار در تعادل با هم وجود دارند را نشان می‌دهند. نقطه بحرانی حتی در نمودار فازی سه‌بعدی نیز به‌صورت یک نقطه روی سطح باقی می‌ماند. اگر پروژه اورتوگرافیک نمودار سه‌بعدی p–v–T انجام شود، به‌طوری که فشار و دما روی محورهای عمودی و افقی قرار گیرند، نمودار سه‌بعدی به نمودار دوبعدی فشار–دمای استاندارد تبدیل می‌شود. در این حالت، سطوح جامد–بخار، جامد–مایع و مایع–بخار به سه خط منحنی متناظر فرو می‌ریزند که در نقطه سه‌گانه به هم می‌رسند؛ این نقطه، پروژه اورتوگرافیک فرو‌ریخته خط سه‌گانه است. انواع بسیار پیچیده‌تری از نمودارهای فازی نیز می‌توانند ساخته شوند، به‌ویژه زمانی که بیش از یک ماده خالص حضور داشته باشد. می‌توان نمودارهای فازی با بیش از دو بعد ایجاد کرد که تأثیر بیش از دو متغیر را بر فاز یک ماده نشان دهند. | ## بخش 3: نمودار فازی | نمودارهای فازی می‌توانند از متغیرهای دیگر علاوه بر یا به جای دما، فشار و ترکیب استفاده کنند؛ برای مثال، شدت میدان الکتریکی یا مغناطیسی اعمال شده، و همچنین می‌توانند ماده‌هایی را نشان دهند که بیش از سه حالت ماده دارند. یکی از انواع نمودارهای فازی، نموداری است که دمای ماده را در مقابل غلظت نسبی دو ماده در یک مخلوط دوتایی نشان می‌دهد و به آن نمودار فازی دوتایی گفته می‌شود، همان‌طور که در سمت چپ نشان داده شده است. نوع دیگری از نمودارهای فازی دوتایی، نمودار نقطه جوش برای مخلوطی از دو جز است، یعنی ترکیبات شیمیایی. برای دو جزء فرّار خاص در فشاری مشخص مانند فشار اتمسفری، نمودار نقطه جوش نشان می‌دهد که ترکیب بخار (گاز) با ترکیب مایع داده شده در تعادل است و این وابسته به دماست. در یک نمودار نقطه جوش دوتایی معمولی، دمای ماده روی محور عمودی و ترکیب مخلوط روی محور افقی رسم می‌شود. ساخت نمودار فازی مایع–بخار فرض می‌کند که محلول مایع ایده‌آل طبق قانون راولت و مخلوط گازی ایده‌آل طبق قانون فشار جزئی دالتون رفتار می‌کنند. یک خط اتصال از مایع به بخار در فشار ثابت، ترکیب‌های مایع و بخار را به ترتیب نشان می‌دهد. یک نمونه ساده از نمودار با اجزای فرضی 1 و 2 در یک مخلوط غیرآزیوتروپیک در سمت راست نشان داده شده است. وجود دو خط منحنی جداگانه که نقاط جوش اجزای خالص را به هم وصل می‌کنند نشان می‌دهد که ترکیب بخار معمولاً با ترکیب مایع که با آن در تعادل است، یکسان نیست. یک نمودار فازی پیچیده و با اهمیت تکنولوژیکی بالا، نمودار سیستم آهن–کربن برای کمتر از 7٪ کربن است (نگاه کنید به فولاد). از آنجا که مخلوط‌ها معمولاً دور از رقیق بودن هستند و چگالی آن‌ها به‌عنوان تابعی از دما معمولاً ناشناخته است، بهترین معیار غلظت، سهم مولی است. در فشار ثابت، حداکثر تعداد متغیرهای مستقل سه عدد است: دمای سیستم و دو مقدار غلظت. اغلب چنین نموداری به‌گونه‌ای رسم می‌شود که ترکیب مخلوط در یک صفحه افقی و دمای سیستم روی محور عمود بر آن صفحه نشان داده شود. فازهای میانی(می‌فاز) برخی از مواد آلی بین حالت جامد و مایع از حالت‌های میانی عبور می‌کنند؛ این حالت‌ها را می‌فازها می‌نامند. | ## جمع‌بندی | توجه زیادی به می‌فازها جلب شده است، زیرا آن‌ها امکان ساخت دستگاه‌های نمایشگر را فراهم می‌کنند و از طریق فناوری معروف مایع–بلوری (Liquid-crystal) از اهمیت تجاری برخوردار شده‌اند.