Faasisiirded (3)

Protsessi, kus aine läheb ühest faasist teise, nimetatakse faasisiirdeks. Kuna eri faasides on aatomite või molekulide paiknemise iseloom erinev, siis järelikult peab faasi siirdes toimima aineosakeste omavahelises paigutuses muutus. Et osakeste vahel esineb alati vastastikmõju, siis tuleb nende ümberpaigutamiseks ning tõmbe- ja tõukejõudude ületamiseks teha tööd. Seega on iga faasisiire seotud mingi hulga tööga, mis võib olla nii positiivne kui ka negatiivne. Ühel juhul tehakse tööd osakestevahelise vastastikmõju ületamiseks, teisel juhul teevad osakeste vahel mõjuvad jõud ise tööd välisjõudude vastu. Kui aineosakesed teevad faasisiirdamisel ise tööd, siis vabaneb faasisiirded teatav soojushulk . Kui aga faasisiirdel on vaja ületada osakeste vahelit vastastik mõju siis neeldub faasisiirdel teatud soojushulk. Soojushulka mis neeldub või eraldub faasisiirdel aine ühe massi ühiku kohta nimetatakse siirdesoojusek. Mõningate faasisiirete korral on siirde soojus kaduvväike, et seda loetakse nulliks. Näiteks võiks tuua faasisiirded, kus molekulid ei muuda asendid ruumi, küll aga pöörduvad mingi nurga võrra üksteise suhtes. Ka sellise faasisiirde tagajärjel muutuvad aine omadused. Näiteks muutuvad teatud temp. raua magnetilised omadused. Sellest kõrgemal temperatuuril ei saa rauda enam magnetiseerida.
Kui aine läheb gaasiliset faasist üle vedelasse, siis sellist siiret nimetatakse kondensatsiooniks e. Veeldumiseks . Üle minekut vedelat faasist gaasilisse nim. aurumieks. Üleminekut vedelat faasist tahkesse nimetatakse tahkestumiseks ehk kristallisatsiooniks. Üeminekut tahkest saasist vedelasse on aga sulamine .Aine võib üle minna tahkest faasist ka otse gaasilisse ja vastupidi. Üleminekut tahkest faasist gaasilisse nimetatakse sublimatsiooniks, gaasilisest faasist tahkesse aga härmatumiseks. Faasisiirded, mille käigus muutub tahke aine kristallstruktuur, nimetatakse rekristallisatsiooniks.
Kõiki faasisiirdeid saab vaadelda paarikaupa, kusjuures paari moodustavad teineteisele vastupidised protsessid ( aurumine ja kondenseerumine , sulamine ja tahkestumine jne. ). Igale sellisele siirete paarile vastab kindel siirdesoojuse absoluutväärtus. Kui mingi siirde korral mingi siirde soojus neeldub ( näiteks sulamine ) , siis vastupidise protsessi ( tahkestumine ) korral siirdesoojus vabaneb.
Suvalisele faasisiirdele vastab antud aine korral temperatuuti mingi väärtus, mida nimetatakse siirdetemperatuuriks. Siirdetemperatuur sõltub rõhust. Näiteks normaalrõhul sulab jää ( või tahkestub vesi )temperatuuril 0 kraadi Celsiusel . Rõhul sada atmosfääri sulab jää aga temperatuuril -15 kraadi. Seejuures pole oluline, kuidas rõhku avaldatakse. See võib olla nii ümbritseva keskkonna rõhk kui ka mingi tahke keha poolt avaldatav rõhk. Uisk libiseb mõõda jääd tänu sellele, et jää ja uisu vahel tekib veekiht . Veekiht tekib põhiliselt tänu jää sulamisele uisu hõõrdumisel eraldunud soojuse tõttu. Kuid oma osa veekihi tekkimisel on ka asjaolu, et jää sulamise temp. langeb rõhu tõustes. Kui jää temp. on 0 kraadi või mõni kraad alla selle, siis uisust tingitud rõhu tõttu ( reaalselt 10 kuni 100 atmosfääri ) sulab jää uisu all ja moodustab veekihi isegi seisva uisu korral. Kui jää oleks väga külm ( näiteks -100 kraadi ja alla selle) , siis poleks sellisel jääl võimalik ka uisutada, sest ei hõõrdumine ega uisust tingitud rõhk suuda tekitada uisu alla veekihti ja libisemine määrab vaid uisu ja jää oma vaheline hõõrdumine, mis on palju suurem , kui veekihi olemasolu korral.
Antud rõhu korral siirdetemperatuurist madalamal temperatuuril on aine ühes faasis, kõrgemal aga teises faasis. Et faasisiire toimiks antud rõhul, on vaja, et aine oleks siirdetemperatuuril. Vajalik on ka võimalus siirde soojuse äraviimiseks või juurde andmiseks . Tõepoolest, kui selline võimalus puudub, siis ei toimu ka faasisiiret. Võtame näiteks vee ja jää tükkide segu normaalrõhul ja temperatuuril 0 kraadi. Kui see segu pole väliskeskonnaga soojusvahetuses siis säilib segu muutumatuna. Praktika on sellist olukorda küll raske saavutada. Ligikaudse näitena võiksime vaadelda termospudelit (s.o. soojusliku isolatsiooni väliskeskonnast), milles säilib vee ja jäätükkide segu muutumatuna üsna kaua. See tähendab, et vesi ei muutu jääks ega jää veeks . Niisugust olukorda nimetatakse kahe faasi tasakaaluks.
Võimalik on ka kolme faasi tasakaal. Kui kahe faasi tasakaal on võimalik mingil temperatuuril (siirdetemperatuuril), mis sõltub rõhust (näiteks vee keemistemperatuur ja jää sulamistemperatuur), siis kolme faasi tasakaal on võimalik vaid ühel kindlal rõhul ja temperatuuril. Sellist rõhu ja temperatuuri väärtust nimetatakse antud aine kolmikpunkti rõhuks ja temperatuuriks. Kolmikpunktis on võimalik aine kolme faasi tasakaal juhul, kui selline süsteem on soojuslikult isoleeritud. Vee kolmikpunkt asub rõhul 6mm Hg ja 0,01 kraadi. Kolmikpunkt ei pea olema sugugi vaid gaasilise, tahke ja vedela faasi jaoks. Ta võib olemas olla ka näiteks kolme tahke faasi või ühe vedela ja kahe tahke faasi jaoks. Oluline on, et ühel kindlal rõhul ja temperatuuriväärtusel ei saa tasakaalus olla rohkem kui kolm faasi. Seetõttu ei ole võimalik „nelikpunktide“ jne. olemasolu. Toodud väite tõestus jääb aga väljaspoole meie käsitlust.
Häädemeeste Keskkool
Referaat
Faasisiirded
Koostas Grete Viljaste
Juhedas Raimu Pruul
2008/2009
Kasutatud kirjandus:
Füüsika X klassile J.Susi , L. Lubi .
www.miksike.ee
www.fyysika.ee