Fazo de materio

En kemio kaj fiziko, fazo de materio estas stato, en kiu materio havas similajn kemian strukturon kaj fizikajn ecojn. Ekzemploj de tiaj proprecoj inkluzivas densecon, indicon de refrakto kaj kemian kunmeton. Simpla priskribo estas ke fazo estas regiono de materialo kiu estas ĥemie uniforma, fizike distingebla kaj (ofte) meĥanike apartigebla. En sistemo konsistanta de glacio kaj akvo en glasa kruĉo, la glaciaj kuboj estas unu fazo, la akvo estas dua fazo kaj la humida aero super la akvo estas tria fazo. La glaso de la kruĉo estas alia aparta fazo.

La termino fazo estas foje uzita kiel sinonimo por stato de materio. Ankaŭ, la termino fazo estas foje uzata por aro de statoj de ekvilibro markitaj laŭ variaĵoj de statoj kiel premo kaj temperaturo per faza limo sur fazodiagramo. Ĉar fazaj limoj rilatas al ŝanĝoj en la organizo de materio, kiel ŝanĝo de likvaĵo al solido aŭ pli subtila ŝanĝo de unu kristala strukturo al alia, ĉi tiu lasta uzado estas simila al la uzo de "fazo" kiel sinonimo por stato de materio. Tamen, la uzi de la nomoj stato de materio kaj fazoskemo ne estas aŭtomate kongrua kun la formala difino donita supre kaj la intencita signifo devas esti determinita parte per la kunteksto en kiu la termino estas uzata.

Klaraj fazoj povas esti priskribitaj kiel malsamaj statoj de materio kiel gaso, likvaĵo, solido, plasmo aŭ kondensaĵo de Bose–Einstein. Fazoj ankaŭ povas esti diferencigitaj baziĝante sur solvebleco. Ekzemple miksaĵo de akvo (polara likvaĵo) kaj petrolo ( ne-polara likvaĵo) spontanee apartiĝos en du fazojn. Akvo havas tre malaltan solveblecon (estas nesolvebla) en petrolo kaj petrolo havas malaltan solveblecon en akvo.

Miksaĵo povas apartiĝi en pli ol du likvajn fazojn kaj la koncepto de faza apartiĝo etendiĝas al solidoj, t.e. solidoj povas formi solidajn solvaĵojn aŭ kristaliĝi en apartaj kristalaj fazoj. Paro de metaloj kiuj estas reciproke solveblaj povas formi alojojn, dum metala paro kiu estas reciproke nesolvebla ne povas tion fari.

Tiel multaj kiel ok nemikseblaj likvaj fazoj estas konsiderataj (per akva fazo kaj hidrofobaj organikaj solviloj).

Emulsioj kaj koloidoj estas ekzemploj de kombinaĵoj de nemikseblaj fazparoj kiuj ne fizike apartiĝas.

Lasitaj sen ekstera interveno, multaj kunmetaĵoj formos unuforman ununuran fazon, sed depende de la temperaturo kaj premo eĉ ununura substanco povas apartiĝi en du aŭ pli klaraj fazoj. Ene de ĉiu fazo, la ecoj estas unuformaj, sed inter ambaŭ la ecoj malsamas.

Akvo en ferma ujo kun aera spaco super ĝi formas dufazan sistemon. Plejparto de la akvo estas en la likva fazo, kie ĝi estas konservata de la reciproka allogo de akvaj molekuloj. Eĉ ĉe ekvilibro, molekuloj estas konstante en moviĝo kaj, de temp' al tempo, molekulo en la likva fazo akiras sufiĉe da kinetika energio por eskapi for de la likva fazo kaj eniri la gasan fazon. Same, foje la vapora molekulo kolizias kun la likva surfaco kaj densiĝas en la likvaĵo. Ĉe ekvilibro, procezoj de forvaporiĝo kaj kondensiĝo ĝuste ekvilibriĝas kaj ne estas neta ŝanĝo en la volumo de ajna fazo.

Ĉe normala temperaturo kaj premo, la akvo atingas ekvilibron kiam la aero super la akvo havas humidecon de ĉ. 3%. Ĉi tiu procento supreniĝas kiam la temperaturo iras supren. Ĉe 100 °C kaj atmosfera premo, ekvilibro ne estas atingita ĝis kiam en la aero estas 100% akvo. Se la likvaĵo estas varmigita iom super 100 °C, la transiro de likvo al gaso okazos ne nur ĉe la surfaco, sed ene de la likva volumo: la akvo bolas.

Por donita kunmetaĵo, nur certaj fazoj eblas ĉe donita temperaturon kaj premon. La nombro kaj la tipo de fazoj, kiu formiĝos estas malfacile antaŭvidi kaj estas kutime determinata de eksperimento. La rezultoj de tiaj eksperimentoj povas esti bildigita per fazodiagramo.

La fazodiagramo videbla ĉi tie estas por sistemo de ununura ero. En ĉi tiu simpla sistemo, la eblaj fazoj dependas nur de premo kaj temperaturo. La ruĝaj punktoj prezentas kazojn, ri kiu du aŭ pli da fazoj povas kunekzisti en ekvilibro. Ĉe temperaturoj kaj premoj for de la ruĝaj punktoj, tie estos nur unu fazo ĉe ekvilibro.

En la diagramo, la blua linio markanta la limon inter likva kaj gaso ne estas senfina, kaj limigitas de la krita punkto. Kiam la temperaturo kaj premo alproksimiĝas la kritan punkton, la proprecoj de la likva kaj de la gaso fariĝas piome pli similaj. Ĉe la krita punkto, la likva kaj gaso fariĝita neapartigebla. Super la krita punkto, estas ne plu apartaj likvaĵaj kaj gasaj fazoj: estas nur kolektiva fluida fazo nomita superkrita fluido. En akvo, la krita punkto okazas ĉe ĉirkaŭ 647 K (374 °C aŭ 705 ℉) kaj 22 064 MPa.

Nekutima trajto de la akva fazodiagramo estas, ke la solido-likva fazo linio (ilustrita per la streketita verda linio) havas negativan inklinon. Por plejpartoj de substancoj, la inklino estas pozitiva kiel la ekzemplo de la malhela verda linio. Ĉi tiu nekutima trajto de akvo estas rilatita al glacio havanta pli malaltan denson ol la likva akvo; pliiganto de la premo plialtigas ĝia denson, kio kaŭzas degelo.

Alia interesaĵo, kvankam ne nekutima trajto, pri la fazodiagramo estas la punkto kie la solido-likva faza linio renkontas la likvo-gasan fazan linion. La interkruciĝo estas nomita triobla punkto. Ĉe la triobla punkto, ĉiuj tri fazoj povas kunekzisti.

Eksperimente, la fazlinioj estas relative facile mapi pro la interdependeco de temperaturo kaj premo, kiu okazas kun multoblaj fazoformoj (vidu la Gibsan fazoregulon). Konsideru ni testaparaton konsistantan el ferma kaj bone izolita cilindro ekipita de piŝto. Per aldono de taŭga kvanto da akvo kaj aplikante varmon, la sistemo povas esti alportita al ajna punkto en la gasa regiono de la fazodiagramo. Se la piŝto estas malrapide malaltigita, la sistemo sekvas kurbon de kreskantaj temperaturo kaj premo ene de la gasa regiono de la fazodiagramo. Ĉe la punkto kie la gaso kondensas al likvaĵo, la direkto de la temperaturo-kaj-premo kurbo abrupte ŝanĝos por sekvi la fazlinio de la diagramo ĝis la tuta akvokvanto kondensiĝu.

Kiam substanco trapasas fazajn transirojn (ŝanĝojn de unu stato de materio al alia) ĝi kutime aŭ enprenas aŭ elprenas energion. Ekzemple, kiam akvo forvaporiĝas, la kinetika energio elspezita dum la forvaporiĝantaj molekuloj evitas la altirajn fortojn de la likvaĵo estas reflektita kiel malkresko en temperaturo. La kvanto da energio necesa por instigi la transiron estas pli ol la kvanto necesa por varmigi la akvon de ĉambra temperaturo al iom malpli ol tiu necesa boli temperaturon, kiu estas la kialo ke forvaporiĝo estas utila por malvarmigo.

La inversa procezo, kondensado, elsendas varmon. La varma energio aŭ entalpio, asociita kun transiro de solido al likvaĵo estas la entalpio de fuzio kaj tiu asociita kun transiro de solido al gaso estas la entalpio de sublimado.

• Faztransiro
• Stato de materio