[SCIENTIFACT #4]

ENGLISH

GIẢN ĐỒ PHA

Con người từ xa xưa đã luôn tìm hiểu và khám phá những điều xảy ra một cách tự nhiên. Một trong số những khám phá thú vị là sự chuyển hóa trạng thái của vật chất, điển hình là nước với sự chuyển hóa giữa thể đặc trưng rắn, lỏng và khí. Chắc hẳn ai cũng đã từng được quan sát sự bay hơi khi nước đang sôi, sự nóng chảy của viên nước đá ở nhiệt độ phòng hay nước đông đặc khi được đặt trong ngăn đá tủ lạnh. Đặc biệt hơn, có thể kể đến quá trình thăng hoa – chuyển đổi trạng thái trực tiếp từ thể rắn sang khí xảy ra ở đá khô (CO2) với nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Trạng thái của nước hay vật chất nói chung được thể hiện trên giản đồ pha, thường đặc trưng bởi giá trị áp suất và nhiệt độ.

I. Pha là gì?

Pha là một vùng không gian mà các tính chất vật lý của vật chất đồng nhất. Các tính chất có thể kể đến là mật độ, chỉ số khúc xạ, thành phần hóa học. Theo cách khác, pha đặc trưng cho trạng thái của vật chất trong một điều kiện xác định. Một số pha cơ bản thường gặp là rắn, lỏng và khí.

Trước tiên, pha rắn là trạng thái vật chất có hình dạng cố định. Lúc này các phân tử ở vật rắn nằm sát nhau, chỉ dao động nhỏ quanh vị trí cân bằng, đồng thời vị trí tương đối giữa các phân tử ổn định trong không gian. Khi nhiệt độ tăng lên, dao động của các phân tử mạnh hơn khiến những tính chất trên mất đi, tạo điều kiện cho vật chất chuyển sang pha lỏng.

Ở pha lỏng, liên kết giữa các phân tử thiếu sự chặt chẽ dẫn đến hình dạng phụ thuộc vật chứa của chất lỏng, tuy vậy mật độ các phân tử vẫn tương đối ổn định. Tại trạng thái này gần như vật chất không bị nén bởi ngoại lực.

Trong khi đó, pha khí là trạng thái vật chất tồn tại dưới dạng tập hợp các nguyên tử hay phân tử hay các hạt nói chung trong đó các hạt có thể tự do chuyển động trong không gian. Lực tương tác giữa các phân tử rất yếu.

II. Có bao nhiêu pha có thể cùng tồn tại?

Ngoài những sự tồn tại riêng biệt của các pha rắn, lỏng, khí, vẫn có những điều kiện đặc trưng mà vật chất tồn tại ở nhiều hơn một pha. Cụ thể hơn, trong giản đồ pha P-T (áp suất-nhiệt độ), mỗi pha của vật chất được giữ ổn định trong một miền tách biệt. Sự chuyển giao giữa các pha được thể hiện bởi đường cong giao tuyến giữa hai trong ba miền, là tập hợp các điểm mà hai pha đôi một cân bằng nhiệt động lực học. Thật vậy, ở các điểm trên những đường cong này, hai trong ba pha của vật chất cùng xảy ra. Đặc biệt hơn, có những khái niệm thú vị mà ít ai biết đến như Điểm tới hạn và Điểm ba trạng thái.

Điểm ba trạng thái (Triple point) là điều kiện nhiệt độ, áp suât hoàn hảo cho sự cân bằng nhiệt động lực học của ba pha rắn, lỏng, khí của một chất. Trên giản đồ pha, điểm ba trạng thái là giao điểm của ba đường cong cân bằng, và điểm này là riêng biệt với mỗi loại chất khác nhau. Ở điều kiện đặc biệt này, ba pha rắn, lỏng, khí cùng xuất hiện. Trong các phòng thí nghiệm, nhiều phương pháp đã được đưa ra nhằm mục đích kiểm chứng khái niệm này. Sự chuyển đổi liên tục giữa các pha có thể quan sát được khi thí nghiệm với chất lỏng Cyclohexane (C6H12) như trong video tham khảo. Chất này được chứa trong bình có áp suất rất thấp sau khi hút chân không, ở điều kiện xấp xỉ 6.33°C và 5.388 kPa. Khi đó phần chất lỏng trên bề mặt đóng băng, ngược lại dưới đáy bình xảy ra hiện tượng sôi. Sự chuyển đổi giữa pha rắn, lỏng và khí xảy ra liên tục không ở trạng thái cân bằng. Thí nghiệm đã chứng tỏ có sự tồn tại cả ba trạng thái của chất.

Điểm tới hạn (Critical point) là điểm cuối cùng trên đường cong cân bằng, là điểm giới hạn mà có sự tồn tại của 2 pha tách biệt. Cụ thể hơn, khi vượt qua điểm tới hạn, ví dụ trên đường cong cân bằng pha lỏng-khí, nếu giá trị áp suất/ nhiệt độ vượt quá thì vật chất đạt đến trạng thái không thể phân biệt giữa pha lỏng và khí (Supercritical fluid), mang các tính chất hỗn hợp của hai pha này. Video tham khảo thứ hai đề cập đến thực nghiệm xung quanh điểm tới hạn lỏng-khí của CO2, cho ta thấy những hình ảnh về khái niệm thú vị này.

III. Các trạng thái đặc biệt mang lại những ứng dụng thực tế nào?

Với sự đặc biệt của tính chất điểm ba trạng thái khi xác định trên giản đồ pha, khái niệm này có một số ứng dụng thực tế trong đời sống. Tính chính xác rất cao của điểm ba trạng thái có nhiều lợi ích khi nghiên cứu nhiệt kế. Một số chất như neon, argon, nước, thủy ngân với độ tinh khiết gần như hoàn toàn ở điểm ba trạng thái có thể áp dụng để làm chuẩn nhiệt kế. Điểm ba của nước từng được dùng làm định nghĩa cho thang nhiệt độ Kelvin. Trước khi Lidar (phương pháp đo khoảng cách bằng tia Laser) được tin dùng, điểm ba trạng thái từng đóng vai trò hệ tham chiếu trong việc đo lường của tàu vũ trụ NASA Mariner 9 với nhiệm vụ nghiên cứu Sao Hỏa.

Điểm tới hạn cũng được áp dụng nhiều trong việc nghiên cứu khoa học. Thật vậy, việc tìm hiểu trạng thái lỏng của các chất khí như Hydro, Helium,… đã từng là một bài toán nan giải với các nhà khoa học lớn trong lịch sử. Dù có cố gắng bao nhiêu, họ cũng không thể nén lỏng những chất khí đó ở nhiệt độ phòng. Cuối cùng, họ tìm ra rằng cần phải hạ nhiệt độ xuống dưới điểm tới hạn để có thể nén hóa lỏng các khí trên. Ngoài ra nước ở trên điểm tới hạn tồn tại trong vỏ Trái Đất và đóng góp vào các quá trình địa chất xảy ra ở đó.

Tham khảo:

https://www.engineeringtoolbox.com/triple-point-d_1926.html

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Physical_Properties_of_Matter/States_of_Matter/Phase_Transitions/Phase_Diagrams

Video thí nghiệm:

Phase diagram

People have long been searching for and discovering things that happened spontaneously. One of the intriguing discoveries is the change of state of matter: for example, water with its transition between typical phases, namely solid, liquid, and gaseous. Every one must have observed the evaporation when the water is boiling, the melting of ice cubes at room temperature, or water freezing when placed in the freezer compartment. Furthermore, there is the process of sublimation – a direct phase transition from solid to gas occurring in dry ice (CO2), which has many applications in life. The states of water or matter, in general, are expressed in phase diagrams, which are often characterized by pressure and temperature values.

I. What is a phase?

A phase is a region of space where the physical properties of matter are homogeneous. Some notable ones are density, refractive index, and chemical composition. In other words, a phase characterizes the state of matter under a given condition. Some common, basic phases are solid, liquid, and gas.

First, the solid phase is a state where the matter has a fixed shape. Usually, molecules of the solid object are close together, only fluctuating slightly around the equilibrium position. Simultaneously, the relative positions between molecules are stable in space. As the temperature increases, the vibrations of molecules become more vigorous, causing these properties to disappear, which enables the material to turn to its liquid phase.

In the liquid phase, the connection between the molecules lacks the tightness, which leads to the liquid’s shape depending on its container. However, the density of molecules is still quite stable. In this state, the matter is almost uncompressed by external forces.

Meanwhile, the gas phase is a state in which matter exists as a collection of atoms or molecules or particles, in general, in which they can freely move through space. The interaction force between molecules is very weak.

II. How many phases can coexist?

In addition to the separate existence of solid, liquid, and gaseous phases, there are also specific conditions where matter exists in more than one phase. More specifically, in the P-T (pressure-temperature) phase diagram, each phase of matter is kept stable in a separate domain. The transition between phases is represented by the intersection curve between two of the three regions, which is the set of points where the two particular phases exist in thermodynamic equilibrium. Indeed, at any point on these curves, two out of the three phases of matter exist together. Moreover, there are interesting concepts that are less known, such as Critical Point and Triple point.

The triple point is a condition with the “perfect” pressure and temperature for the thermodynamic balance of three phases of a substance: solid, liquid, and gas. On the phase diagram, the triple point is the intersection of three equilibrium curves, and this point is different for each substance. Under these special conditions, three phases of solid, liquid, and gas exist together. In laboratories, many methods have been developed to validate this concept. Continuous transitions between phases can be observed when experimenting with liquid Cyclohexane (C6H12) as shown in the reference video. The substance is stored in a very low-pressure vessel after vacuuming, at approximately 6.33°C and 5,388 kPa. In that state, the liquid on the surface freezes, whereas on the bottom of the flask, boiling occurs. The transition between solid, liquid, and gas phases occurs continuously without equilibrium. The experiment has shown that there exist all three states of substance.

The critical point is the last point on the equilibrium curve, which is the limit where two separate phases still exist. More specifically, when passing the critical point, for example, if the pressure/temperature value exceeds that on the liquid-gas phase equilibrium curve, the material reaches an indistinguishable state between the liquid and gas phase (Supercritical fluid), which has the mixed properties of these two phases. The second reference video deals with the experiment about CO2’s liquid-gas critical point, showing images of this fascinating concept.

III. What practical applications do special states provide?

With how special the triple point is when determined on the phase diagram, this concept has some practical applications in life. The high accuracy of the triple point has many benefits when it comes to thermometer research. Certain substances such as neon, argon, water, and mercury, which are almost absolutely pure at their triple points, can be applied as standard thermometers. The triple point of water used to be the definition of the Kelvin temperature scale. Before Lidar (a method for measuring distances by illuminating the target with laser light) became popular, the triple point used to serve as a reference system for the measurement of the NASA Mariner 9 spacecraft for its Mars research mission.

The critical point is also massively applied in scientific research. Indeed, understanding the liquid state of gases such as hydrogen or helium has been a dilemma for the great scientists throughout history. No matter how hard they tried, they could not compress those gases at room temperature. Eventually, they found that it was necessary to bring the temperature below the critical point to liquefy the gases. Also, water above the critical point exists in the Earth’s crust and contributes to the geological processes that occur there.

Reference sources:

https://www.engineeringtoolbox.com/triple-point-d_1926.html

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Physical_Properties_of_Matter/States_of_Matter/Phase_Transitions/Phase_Diagrams

Experiment videos:

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất /  Thay đổi )

Google photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google Đăng xuất /  Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất /  Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất /  Thay đổi )

Connecting to %s