Tr6ng thái pha và chuyBn pha

Một phần của tài liệu phân tích nhiệt ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu (Trang 33 - 40)

I.4.1.Tr ng thái pha

Theo ngh�a chung nh�t, các tr�ng thái t�n t�i c�a v�t ch�t còn �ư�c g�i là các tr�ng thái pha. V�m�t nhi�t��ng h�c, pha là t�p h�p các ph�n��ng nh�t v�thành ph�n và các tính ch�t nhi�t��ng. Các pha khác nhau �ư�c ng�n cách b�ng các biên gi�i pha. Ba tr�ng thái t�n t�i ph� bi�n c�a v�t ch�t trong t� nhiên là là r�n, l�ng và khí chính là 3 tr�ng thái pha �i�n hình, còn g�i là các tr�ng thái t�p h�p hay các pha t�p h�p . M�t ví d� r�t g�n g�i trong cu�c s�ng hàng ngày là 3 tr�ng thái c�a nư�c: nư�c �á (r�n), nư�c (l�ng) và hơi nư�c (khí).

S�khác bi�t gi�a 3 tr�ng thái nêu trên th�hi�n�nhi�u tính ch�t v�t lý, hóa h�c. Có th� hi�u �ư�c ngu�n g�c c�a nh�ng s� khác nhau �y khi quan sát m�c �� tr�t t� trong cách s�p x�p các phân t�, nguyên t� c�a m�i tr�ng thái. Trong tr�ng thái r�n, v�t ch�t thư�ng t�n t�i dư�i d�ng tinh th�. C�u trúc c�a tr�ng thái tinh th�

là c�u trúc có tính tr�t t� cao nh�t. S� s�p x�p các ph�n t� vi mô trong ch�t l�ng và ch�t khí hoàn toàn không có tr�t t�nhưch�t r�n.

Nói chung, m�t �� v�t ch�t trong tinh th� cao hơn nhi�u so v�i

Còn g�i là tr�ng thái k�t t�p (state of aggregation).

tr�ng thái l�ng và tr�ng thái l�ng l�i cao hơn tr�ng thái khí. S�

khác nhau v� tr�t t� s�p x�p nêu trên d�n t�i s� khác nhau c�a nhi�u tính ch�t hóa lý khác. M�t trong nh�ng s� khác bi�t rõ r�t gi�a các tr�ng thái r�n, l�ng và khí chính là tính d�hư�ng c�a pha tinh th�và tính ��ng hư�ng c�a các pha khí và l�ng.

Tu� thu�c �i�u ki�n nhi�t ��ng h�c, m�t ch�t có th� t�n t�i � pha này hay pha khác trong s�3 pha k�trên. Có m�t s�trư�ng h�p

��c bi�t thư�ng g�p trong th�c t�, nhưiôt (I) ch�t�n t�i �pha r�n và hơi, không t�n t�i�pha l�ng, CaCO3ch�t�n t�i duy nh�t�pha r�n. V�i m�i ch�t, thư�ng ch� có 1 pha l�ng, 1 pha khí, tr�He, có 2 pha khí là He I và He II. Riêng ��i v�i pha r�n, m�t ch�t có th�

t�n t�i nhi�u pha.

Hi�n tư�ng t�n t�i c�a m�t ch�t dư�i nhi�u pha r�n khác nhau g�i là thù hình (v�i�ơn ch�t) hay �a hình (v�i h�p ch�t). Các pha r�n khác nhau c�a m�t ch�t g�i là các bi�n th�thù hình.

M�t ch�t có th�có nhi�u bi�n th�. S� bi�n th� c�a m�t ch�t c�

th� là xác ��nh. Các bi�n th� khác nhau v� c�u trúc và do �ó s�

khác nhau v�m�t s�tính ch�t v�t lý nào �ó. Ví d�kinh �i�n v�các bi�n th�r�n là 2 pha r�n c�a carbon (C) . Pha th�nh�t là than chì (graphit) v�i s� s�p x�p thành l�p c�a các t� di�n, m�i t� di�n

�ư�c t�o thành t� 4 nguyên t�carbon, m�i nguyên t� carbon liên k�t ch�t v�i 3 nguyên t� carbon cùng l�p và liên k�t y�u v�i carbon c�a các l�p lân c�n. Pha th� hai là kim cương, trong pha này m�i nguyên t� carbon liên k�t ch�t v�i 4 nguyên t� carbon khác trong m�ng l�p phương. S�khác nhau v�c�u trúc ch�không ph�i là thành ph�n hay tr�ng thái t�p h�p d�n t�i s� khác nhau, th�m chí r�t khác nhau gi�a than chì và kim cương. Chúng ta bi�t r�ng kim cương r�t c�ng, óng ánh, r�t quí, ngư�c l�i, than chì m�m, �en và r�.

Th�c ra, ngoài 3 tr�ng thái t�p h�p ph�bi�n là r�n, l�ng và khí, trong t� nhiên còn t�n t�i m�t s�tr�ng thái ít g�p và m�t s� tr�ng thái trung gian. Trong s� �ó, pha tinh th�l�ng và pha r�n vô��nh hình là nh�ng d�ng chúng ta thư�ng g�p trong nghiên c�u v�t li�u.

G�n �ây, ngư�i ta �ã phát hi�n ra d�ng thù hình m�i c�a carbon, �ó là C60

Tinh th�l�ng t�n t�i dư�i d�ng l�ng, nhưng ch�t l�ng này l�i có nh�ng tính ch�t��c trưng c�a tinh th�, c�th�là s�s�p x�p có tr�t t� c�a các phân t�, và do �ó th� hi�n tính d� hư�ng rõ r�t thay vì tính ��ng hư�ng c�a th� l�ng. Chúng có r�t nhi�u �ng d�ng quan tr�ng, trong �ó ph�i k� ��n�ng d�ng làm các màn hi�n th�tinh th�

l�ng cho máy tính, tivi, �i�n tho�i di��ng.

Ngư�c l�i, ch�t r�n vô ��nh hình t�n t�i � th� r�n, nhưng s�

s�p x�p các ph�n t�vi mô l�i gi�ng như � th� l�ng, t�c là hoàn toàn không có tr�t t�ki�u tinh th�(tr�t t�xa). Kính c�a s�thông thư�ng là ví d�c�a ch�t r�n vô ��nh hình. �nhi�t�� thư�ng, m�t s� polyme, ví d� như polystyrene, là v�t li�u vô ��nh hình. ��i v�i nhi�u ch�t, khi t�th�l�ng chuy�n sang th�r�n b�ng cách làm ngu�i r�t nhanh s� có th� nh�n �ư�c d�ng pha r�n vô ��nh hình.

C�ng như tinh th� l�ng, v�t li�u vô ��nh hình th� hi�n nhi�u tính ch�t và kh� n�ng �ng d�ng r�t h�p d�n nên �ư�c các nhà khoa h�c và công ngh� ��c bi�t quan tâm t�nh�ng th�p niên cu�i c�a th�k�trư�c.

I.4.2. Chuy4n pha

Tr�l�i v�i ví d� 2 bi�n th� thù hình c�a carbon là kim cương và than chì. Xét theo quan �i�m nhi�t��ng h�c, kim cương ch�t�n t�i b�n v�ng trong �i�u ki�n áp su�t r�t cao, trong khi than chì t�n t�i b�n v�ng � �i�u ki�n áp su�t khí quy�n. Nhưng, nhưchúng ta th�y trên th�c t�, kim cương v�n t�n t�i �áp su�t khí quy�n hàng tri�u tri�u n�m nay, m�c dù �úng ra carbon ph�i chuy�n t� d�ng kim cương, không b�n v� nhi�t ��ng h�c, sang d�ng b�n hơn là than chì. �úng là quá trình chuy�n tr�ng thái �ó v�n,�ã và�ang x�y ra hàng ngày, nhưng �nhi�t��bình thư�ng quá trình di�n ra vô cùng ch�m. �� kim cương tr� thành than chì c�n m�t kho�ng th�i gian vô cùng dài. N�u chúng ta ��t nóng kim cương lên nhi�t �� ��

cao, quá trình s�di�n ra nhanh, kim cương s�thành than chì!

Hi�n tư�ng kim cương chuy�n thành than chì nêu trên là trư�ng h�p riêng c�a m�t quá trình nhi�t ��ng h�c quan tr�ng, có m�t trong h�u h�t các quá trình công ngh� v�t li�u, �ó là quá trình chuy�n pha. Chuy�n pha là s� chuy�n h� t� pha này sang pha khác. Ví d� quen thu�c nh�t v�i chúng ta trong cu�c s�ng hàng ngày là hi�n tư�ng chuy�n pha c�a nư�c, t�th� l�ng sang th� r�n

khi ��t ca nư�c vào ng�n làm �á c�a t�l�nh và t�th�l�ng sang th�

khí khi ánh n�ng chi�u xu�ng��i dương ho�c khi ta �un nư�c.

Chúng ta thư�ng quan sát th�y quá trình chuy�n pha gi�a các pha t�p h�p x�y ra theo tr�t t� r�n l�ng khí, ho�c theo chi�u này, ho�c theo chi�u kia, tu� thu�c �i�u ki�n nhi�t ��, áp su�t,…

Chuy�n pha r�n khí, nhưhi�n tư�ng th�ng hoa (sublimation) c�a b�ng phi�n, hay ngư�c l�i, chuy�n pha khí r�n, như hi�n tư�ng l�ng��ng t�pha hơi (vapour deposition), v�n x�y ra nhưng chúng ta ít quan sát th�y hơn.

Ngoài các d�ng chuy�n pha t�p h�p quen thu�c nêu trên, còn có các d�ng chuy�n pha khác, nhưchuy�n pha thù hình gi�a các bi�n th� khác nhau, chuy�n pha gi�a s�t t� và thu�n t� t�i �i�m Curie, chuy�n pha siêu d�n t�i �i�m t�i h�n, chuy�n pha siêu l�ng c�a heli, …

Trong khoa h�c v�t li�u, d�ng chuy�n pha x�y ra gi�a 2 pha thù hình r�n, như chuy�n pha c�a kim cương và than chì nêu � ph�n trên, là r�t ph�bi�n và quan tr�ng. Các ví d� khác c�a chuy�n pha thù hình là chuy�n pha gi�a 2 bi�n th� và c�a thi�c (Sn), gi�a 4 bi�n th� , , và c�a s�t (Fe). Phân tích nhi�t là công c�thích h�p �� nghiên c�u sâu nhi�t ��ng h�c các quá trình chuy�n pha quan tr�ng này.

Dư�i góc �� nhi�t ��ng h�c, chuy�n pha �ư�c phân thành các lo�i hay các b�c khác nhau, theo nh�ng tiêu chí nh�t ��nh. Có nhi�u cách phân lo�i khác nhau, ph� bi�n nh�t là cách phân lo�i theo tiêu chí Ehrenfest, d�a trên tính liên t�c c�a ��o hàm c�a n�ng lư�ng t� do Gibb (G) theo m�t thông s� nhi�t ��ng h�c, thư�ng là nhi�t �� T. N�u ��o hàm b�c 1 c�a n�ng lư�ng t� do Gibb liên t�c, chuy�n pha là b�c/lo�i 1; N�u ��o hàm b�c 2 liên t�c, còn b�c 1 không liên t�c: chuy�n pha là b�c/lo�i 2. M�t cách t�ng quát, n�u��o hàm b�c n theo nhi�t �� c�a n�ng lư�ng t� do ( nG/ Tn) liên t�c và các ��o hàm b�c th�p hơn là không liên t�c thì chuy�n pha là b�c n. Theo cách phân lo�i này, v�nguyên t�c s�

có th� có chuy�n pha v�i các b�c cao hơn b�c 2. M�c dù ngư�i ta

�ã ch�ra m�t s�b�t c�p c�a tiêu chu�n phân lo�i Ehrenfest, nhưng nó v�n là tiêu chu�n ph�d�ng và �ư�c trình bày trong h�u h�t các giáo trình nhi�t��ng h�c và v�t li�u h�c��i cương.

G�n �ây, nh�t là trong l�nh v�c phân tích nhi�t, ngư�i ta có xu hư�ng phân lo�i chuy�n pha theo tiêu chí m�i, theo �ó ch� có 2 d�ng chuy�n pha. Chuy�n pha b�c 1 là chuy�n pha x�y ra có kèm nhi�t chuy�n pha, hay còn g�i là �n nhi�t (latent heat), ví d� như các chuy�n pha t�p h�p, chuy�n pha khí Bose Einstein (Bose Einstein condensation). Chuy�n pha b�c 2, hay g�i là chuy�n pha liên t�c (continuous phase transition), x�y ra không kèm nhi�t chuy�n pha, như chuy�n pha s�t t�, chuy�n pha siêu ch�y c�a heli.

Chuy�n pha c�a v�t r�n vô��nh hình có nh�ng ��c�i�m riêng.

Thông thư�ng, v�t r�n vô ��nh hình có th�t�n t�i dư�i 2 tr�ng thái (pha): pha nhi�t �� cao là pha cao su (rubbery) và pha nhi�t ��

th�p là pha th�y tinh (glassy). Chuy�n pha gi�a 2 tr�ng thái này g�i là chuy�n pha th�y tinh (glass transition). Nhi�t��chuy�n pha tương �ng g�i là nhi�t �� chuy�n pha th�y tinh, hay �ơn gi�n là nhi�t chuy�n th�y tinh (Tg), là m�t��c trưng r�t quan tr�ng��i v�i các v�t li�u polyme. Giá tr� Tg �i�n hình c�a m�t s� v�t li�u polyme thông d�ng �ư�c cho trên b�ng 1.6.

B1ng 1.6: Giá tr;nhi t chuyCn thCthZy tinh cZa m t s:v/t li u polyme.

V/t li u Tg(oC)

Polyethylene (LDPE) 125

Polypropylene (Atactic) 20

Poly(vinyl acetate) (PVAc) 28 Polyethylene terephthalate (PET) 69 Poly(vinyl alcohol) (PVA) 85 Poly(vinyl chloride) (PVC) 81 Polypropylene (Isotactic) 100

Polystyrene 100 Poly(methylmethacrylate) (Atactic) 105

Khi làm l�nh polyme xu�ng dư�i Tg, nó tr� nên c�ng và giòn như th�y tinh (th�y tinh hóa), không còn ��c tính m�m d�o ��c trưng c�a cao su n�a. Chính vì v�y, m�t s� polyme, như polystyrene, polymethyl methacrylate, g�i là nh�a c�ng, có Tg

tương��i cao, thư�ng cao hơn nhi�t��môi trư�ng �áng k�, khi s�

d�ng v�t li�u t�n t�i trong tr�ng thái th�y tinh. Ngư�c l�i, có m�t s� lo�i polyme khác, như polyisoprene và polyisobutylene, g�i là nh�a d�o, có Tgth�p, thư�ng là dư�i 0oC, khi dùng v�t li�u thư�ng t�n t�i�tr�ng thái cao su.

I.4.3. Nhi t chuy4n pha

Hi�n tư�ng thu nhi�t khi nư�c bay hơi, hay ngư�c l�i, to�nhi�t khi nư�c ngưng t�, là m�t ví d�v�nhi�t chuy�n pha. Khác v�i s�trao

��i nhi�t qua nhi�t dung, to� nhi�t hay thu nhi�t dư�i d�ng nhi�t chuy�n pha không làm thay ��i nhi�t �� c�a v�t. Chính ��c �i�m quan tr�ng này là cơ s� cho các �ng d�ng tích tr� nhi�t s� �ư�c gi�i thi�u k�trong m�c III.7.

C�ng có th� xác ��nh nhi�t chuy�n pha thu�n tuý d�a trên tính toán nhi�t ��ng nhưki�u xác ��nh nhi�t ph�n �ng trong nhi�t hóa h�c nói�ph�n trên. Ví d�tính nhi�t chuy�n pha kim cương – than chì d�a trên d�li�u c�a 2 ph�n�ng �ơn gi�n�ã bi�t:

Ckc + O2= CO2; H = 395,3 kJ CO2 = Cthan + O2; H = + 393,5 kJ T� �ó tính ra:

Ckc = C than; Hcp = 1,8 kJ.

Nghiên c�u chuy�n pha chính là m�t th� m�nh c�a phân tích nhi�t. Có th�s�d�ng nh�ng k�thu�t phân tích nhi�t khác nhau ��

nghiên c�u ��nh tính c�ng như ��nh lư�ng các quá trình chuy�n pha, t� �ơn gi�n là nh�n bi�t có quá trình chuy�n pha, phân lo�i chuy�n pha, t�i xây d�ng gi�n �� pha, xác ��nh ��nh lư�ng các thông s�chuy�n pha, k�c�các thông s� ��ng h�c.

Công c� th�c nghi�m thích h�p �� nghiên c�u ��nh lư�ng, xác

��nh nhi�t chuy�n pha, là DTA và DSC, trong �ó DSC cho ��

chính xác cao hơn nhưng l�i thư�ng b�h�n ch�v�gi�i h�n cao c�a nhi�t ��. Các �ng d�ng phong phú c�a phân tích nhi�t �� nghiên c�u chuy�n pha s� �ư�c gi�i thi�u trong các m�c c�a chương III.

Tài li$u tham kh9o ch ng I

1. Lương Duyên Bình, V�t lý ��i cương, t�p 1: Cơ Nhi�t. Nxb.

Giáo d�c, tái b�n l�n 6, (1998).

2. Nguy�n �ình Hu�, Giáo trình Hóa lý, t�p I, Cơ s�nhi�t ��ng l�c h�c. Nxb. Giáo d�c, tái b�n l�n 3, (2003);

3. Tr�n V�n Nhân, Nguy�n Th�c S�u, Nguy�n V�n Tu�, Hóa lý, t�p I Nhi�t��ng h�c. Nxb. Giáo d�c, tái b�n l�n 5, (2004).

4. Ott Bevan J.; Boerio Goates J.: Chemical Thermodynamics Principles and Applications. Academic Press. (2000).

5. Smith Brian E.: Basic Chemical Thermodynamics. Oxford University Press. (2004).

6. Pierre Infelta: Introductory Thermodynamics. BrownWalker Press. (2004).

Một phần của tài liệu phân tích nhiệt ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu (Trang 33 - 40)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(239 trang)