Gambar rajah fasa

Dalam kimia fizik, mineralogi, dan sains bahan, gambar rajah fasa merupakan sejenis graf yang digunakan untuk menunjukkan keadaan keseimbangan antara fasa jirim yang dibezakan secara termodinamik. Dalam matematik dan fizik, gambar rajah fasa juga mempunyai maksud berlainan, iaitu sinonim bagi ruang fasa.
Gambar rajah fasa termudah adalah rajah tekanan-suhu bagi satu bahan mudah, seperti air. Paksi merujuk kepada tekanan dan suhu. Gambar rajah fasa menunjukkan, dalam ruangan tekanan-suhu, garis keseimbangan atau sempadan fasa antara tiga fasa iaitu pepejal, cecair dan gas.
Penandaan dalam gambar rajah fasa menunjukkan titik apabila tenaga bebas tidak beranalisis. Ruang terbuka, iaitu ketika tenaga bebas adalah beranalisis, merujuk kepada fasa-fasa. Fasa-fasa dipisahkan oleh garisan tidak beranalisis, iaitu berlakunya peralihan fasa, yang dipanggil sempadan fasa.
Dalam rajah di bahagian kiri, sempadan fasa antara cecair dan gas tidak berterusan secara terus. Malah, ia dihentikan pada satu keadaan atau takat dalam gambar rajah fasa yang dipanggil takat genting. Ini menunjukkan pada suhu dan tekanan yang terlampau tinggi fasa cecair dan gas tidak dapat dibezakan, ia dpanggil bendalir genting lampau. Dalam air, takat genting berlaku sekitar 647 K (374 °C atau 705 °F) dan 22.064 MPa.
Kewujudan takat genting cecair-gas mendedahkan kekaburan bagi takrifan di atas. Apabila berpindah dari fasa cecair kepada gas, seseorang biasanya melintasi sempadan fasa, tetapi adalah mungkin bagi seseorang memilih lintasan yang tidak melintasi mana-masa sempadan dengan menuju ke kanan takat genting. Maka, cecair dan gas boleh wujud dan sebati antara satu sama lain. Walau bagaimanapun, sempadan fasa pepejal-cecair hanya boleh tamat pada takat genting dengan cara ini jika fasa pepejal dan cecair mempunya kumpulan simetri yang sama.
Patut diberi perhatian pda sempadan fasa pepejal-cecair dalam gambar rajah fasa bagi kebanyakan bahan mempunyai kecerunan positif. Ini disebabkan fasa pepejal mempunyai ketumpatan yang lebih tinggi berbanding cecair, maka dengan peningkatan tekanan akan meningkatkan takat lebur; iaitu suhu bahan melebur. Dalam beberapa bahagian gambar rajah fasa bagi air, sempadan fasa pepejal cecair mempunyai kecerunan negatif (terutama pada bahagian tekanan piawai). Ini menunjukkan yang ais mempunyai ketumpatan yang lebih rendah berbanding air, yang merupakan ciri luar biasa bagi bahan.
Sebagai tambahan kepada suhu atau tekanan, ciri termodinamik lain boleh digraf dalam gambar rajah fasa. Antaranya ialah isi padu tentu, entalpi tentu, atau entropi tentu, Sebagai contohm graf komponen tunggal bagi suhu melawan entropi tentu (T lwn. s) bagi air/wap atau bagi bahan penyejuk lazimnya digunakan untuk menggambarkan kitaran termodinamik seperti kitaran Carnot, kitaran Rankine, atau kitaran pemampatan wap bahan penyejuk.
Dalam graf dua dimensi, dua kuantiti termodinamik boleh ditunjukkan dalam paksi menegak dan mengufuk. Kuantiti termodinamik tambahan boleh diletakkan sebagai tambahan siri garis - lengkung, tegak, atau gabungan kedua-duanya. Setiap satu garis iso mewakili kuantiti termodinamik pada nilai-nilai pemalar tertentu.
Adalah tidak mustahil untuk menggambarkan secara 3 dimensi (3D) bagi menunjukkan tiga kuantiti termodinamik serentak. Sebagai contoh, bagi satu komponen tunggal, graf jenis koodinat Cartesian 3D boleh menunjukkan suhu (T) pada satu paksi, tekanan (P) pada paksi kedua, dan isi padu tentu (v) untuk yang ketiga. Graf 3D begitu dipanggil gambar rajah P-v-T. Keadaan keseimbangan akan ditunjukkan sebagai lengkok permukaan 3D dengan luas bagi fasa pepejal, cecair dan gas dan kawasan bagi pepejal dan cecair, atau cecair dan gas yang saling wujud dalam keseimbangan. Satu garis yang dipanggil garis tigaan adalah garis apabila ketiga-tiga fasa, pepejal, cecair dan gas wujud dalam keseimbangan. Takat genting kekal sebagai satu titik pada permukaan walaupun pada gambar rajah fasa 3 dimensi. Satu unjuran ortografik bagi graf P-v-T 3D menunjukkan suhu dan tekanan sebagai paksi menegak dan mengufuk betul-betul menjadikan plot 3D menjadi rajah suhu-tekanan 2D. Apabila ini berlaku, permukaan pepejal-gas, pepejal-cecair, dan cecair-gas menjadi garis lengkungan yang bertemu di titik tigaan, yang merupakan asalnya garis tigaan yang dilihat melalui unjuran ortografik.
Gambar rajah fasa yang lebih rumit turut boleh dibentuk, terutama apabila lebih dari satu komponen yang hadir. Dalam kes tersebut, kepekatan menjadi pembolehubah yang penting. Gambar rajah fasa dengan lebih daripada dua dimensi boleh dibentuk dengan menunjukkan kesan bagi lebih pembolehubah pada fasa sesuatu bahan. Gambar rajah fasa juga boleh menggunakan pembolehubah yang lain sebagai tambahan atau menggantikan suhu, tekanan atau komposisi, sebagai contoh, kekuatan medan elektrik atau magnet dan mereka juga boleh melibatkan bahan yang melibatkan lebih dari tiga keadaan jirim.
Salah satu jenis gambar rajah fasa memplotkan suhu dengan kepekatan relatif bagi dua bahan dalam campuran deduaan yang dipanggil gambar rajah fasa deduaan, seperti yang ditunjukkan di kanan. Campuran begitu boleh menjadi larutan pepejal, titik eutektik atau peritektik, dalam antara yang lain. Dua jenis campuran ini menghasilkan graf yang berbeza. Contoh buku teks bagi gambar rajah fasa eutektik ialah sistem olivin (forsterit dan fayalit).
Jenis lain bagi gambar rajah fasa deduaan ialah gambar rajah takat didih bagi campuran dua komponen kimia. Bagi dua komponen mudah meruap yang tertentu pada tekanan seperi tekanan atmosfera, takat didih menunjukkan bahawa komposisi wap (gas) adalah setara dengan komposisi cecair bergantung kepada suhu. Dalam takat didid dedua yang tipikal, suhu diplot pada paksi menegak dan komposisi campuran pada paksi mengufuk.
Gambar rajah yang lebih mudah bagi komponen hipotesis 1 dan 2 yang bukan campuran azeotrop ditunjukkan di kanan. Kenyataan yang dua garis lengkung yang terpisah bercantum pada takat didih bagi komponen tulen bermakna komposisi wap lazimnya tidak sama dengan komposisi cecair yang disetarakan.
Sebagai tambahan kepada jenis gambar rajah fasa yang ditunjukkan, terdapat ribuan lagi gabungan. Sesetengah ciri utama bagi gambar rajah fasa termasuklah titik kongruen, iaitu apabila fasa pepejal bertukar terus kepada cecair. Terdapat juga peritektoid, titik apabil dua fasa pepejal digabungkan menjasi satu fasa pepejal ketika pemanasa. Sonsangan baginya, apabila satu fasa pepejal bertukar menjadi dua fasa pepejal ketika pemanasan, dipanggil eutektoid.
Gambar rajah fasa yang lebih rumit bagi kepentingan teknologi ialah sistem besi karbon bagi karbon yang kurang 7% (lihat keluli).
Paksi x bagi gambar rajah begitu mewakili kepekatan pembolehubah bagi campuran. Memandangkan campuran tidak cair dan ketumpatan mereka sebagai fungsi suhu sering tidak diketahui, pengukuran ketumpatan yang sering dilakukan ialah pecahan mol. Pengukuran yang berdasarkan isi padu seperti kemolaran adalah tidak digalakkan.