Faz (madde)

Küçük bir kapta hızla eriyen argon buzu parçası katıdan sıvıya geçişi gösterir.

Fizik bilimlerinde, faz, bir malzemenin tüm fiziksel özelliklerinin esasen tekdüze olduğu bir uzay bölgesidir (termodinamik bir sistem). Fiziksel özelliklerin örnekleri arasında yoğunluk, kırılma indisi, mıknatıslanma ve kimyasal bileşim sayılabilir. Basit bir açıklama, bir fazın, kimyasal olarak muntazam, fiziksel olarak farklı ve (genellikle) mekanik olarak ayrılabilen bir malzeme bölgesi olmasıdır. Bir cam kavanozda buz ve sudan oluşan bir sistemde, buz küpleri bir fazdır, su ikinci bir fazdır ve nemli hava buz ve su üzerinde üçüncü bir fazdır. Kavanozun camı başka bir ayrı aşamadır. (Maddenin durumuna bakın § Cam)

Faz terimi bazen maddenin durumu ile eşanlamlı olarak kullanılır, ancak aynı maddenin durumunun birkaç karışmaz aşaması olabilir. Ayrıca, faz terimi bazen, bir faz diyagramındaki faz sınırı ile basınç ve sıcaklık gibi durum değişkenleri olarak ayrılan bir dizi denge durumuna değinmek için kullanılır. Faz sınırları madde organizasyonundaki sıvıdan katıya bir değişiklik veya bir kristal yapıdan diğerine daha ince bir değişiklik gibi değişikliklerle ilgili olduğundan, bu son kullanım, "faz" ın durumu ile eşanlamlı olarak kullanılmasına benzer. Bununla birlikte, maddenin durumu ve faz diyagramı kullanımları yukarıda verilen biçimsel tanım ile orantılı değildir ve amaçlanan anlam kısmen terimin kullanıldığı bağlamdan belirlenmelidir.

Faz türleri

Farklı fazlar gaz, sıvı, katı, plazma veya Bose-Einstein kondensatı gibi farklı madde durumları olarak tanımlanabilir. Katı ve sıvı arasındaki faydalı mezofazlar, maddenin diğer hallerini oluşturur.

Belirli bir durum içinde farklı aşamalar da mevcut olabilir. Demir alaşımları için şemada gösterildiği gibi, hem katı hem de sıvı durumlar için birkaç faz vardır. Fazlar ayrıca polar (hidrofilik) veya polar olmayan (hidrofobik) çözünürlüklerine göre de ayırt edilebilir. Bir su (polar sıvı) ve yağ (polar olmayan bir sıvı) karışımı kendiliğinden iki faza ayrılacaktır. Su, yağda çok düşük bir çözünürlüğe (çözünmez) sahiptir ve yağ, su içinde düşük bir çözünürlüğe sahiptir. Çözünürlük, çözünen madde çözünmeyi bırakmadan ve ayrı bir fazda kalmadan önce bir çözücü içinde çözünebilen maksimum çözünen madde miktarıdır. Bir karışım ikiden fazla sıvı faza ayrılabilir ve faz ayrılması kavramı katılara uzanır, yani katı maddeler katı çözeltiler oluşturabilir veya farklı kristal fazlara kristalleşebilir. Karşılıklı olarak çözünebilen metal çiftleri alaşım oluşturabilirken, karşılıklı olarak çözünmeyen metal çiftleri oluşturamaz.

Sekize kadar karışmayan sıvı faz gözlenmiştir. Karşılıklı karışmayan sıvı fazlar su (sulu faz), hidrofobik organik çözücüler, perflorokarbonlar (flüoröz faz), silikonlar, birkaç farklı metal ve ayrıca erimiş fosfordan oluşur. Tüm organik çözücüler tamamen karışmaz değildir, örn. bir etilen glikol ve toluen karışımı iki farklı organik faza ayrılabilir.

Fazların makroskopik olarak kendiliğinden ayrılması gerekmez. Emülsiyonlar ve kolloidler, fiziksel olarak ayrılmayan karışmayan faz çifti kombinasyonlarına örnektir.

Faz dengesi

Dengede bırakıldığında, birçok bileşim tek tip tek bir faz oluşturacaktır, ancak sıcaklık ve basınca bağlı olarak tek bir madde bile iki veya daha fazla farklı faza ayrılabilir. Her fazda, özellikler eşittir, ancak iki faz arasındaki özellikler farklıdır.

Üzerinde hava boşluğu olan kapalı bir kavanozda su iki fazlı bir sistem oluşturur. Suyun çoğu, su moleküllerinin karşılıklı cazibesi ile tutulduğu sıvı fazdadır. Denge moleküllerinde bile sürekli hareket halindedir ve arada sırada sıvı fazdaki bir molekül, sıvı fazdan ayrılmak ve gaz fazına girmek için yeterli kinetik enerji kazanır. Benzer şekilde, arada bir buhar molekülü sıvı yüzeyiyle çarpışır ve sıvıya yoğunlaşır. Dengede, buharlaşma ve yoğuşma süreçleri tam olarak dengelenir ve her iki fazın hacminde net bir değişiklik yoktur.

Oda sıcaklığı basıncında, su üzerindeki hava yaklaşık %3'lük bir neme sahip olduğunda su kavanozu dengeye ulaşır. Sıcaklık arttıkça bu yüzde artar. 100 °C'de ve atmosfer basıncında, hava %100 su olana kadar dengeye ulaşılamaz. Sıvı 100 °C'nin biraz üzerinde ısıtılırsa, sıvıdan gaza geçiş sadece yüzeyde değil, sıvı hacmi boyunca da gerçekleşir: su kaynar.

Faz sayısı

Katı, sıvı ve gaz fazlar sergileyen tek bileşenli bir malzeme için tipik bir faz diyagramı. Kesintisiz yeşil çizgi, sıvı-katı faz çizgisinin normal şeklini gösterir. Yeşil noktalı çizgi, basınç arttığında suyun anormal davranışını gösterir. Üçlü nokta ve kritik nokta kırmızı noktalar olarak gösterilir.

Belirli bir bileşim için, belirli bir sıcaklık ve basınçta sadece belirli fazlar mümkündür. Oluşacak fazların sayısını ve türünü tahmin etmek zordur ve genellikle deney ile belirlenir. Bu tür deneylerin sonuçları faz diyagramlarında çizilebilir.

Burada gösterilen faz diyagramı tek bileşenli bir sistem içindir. Bu basit sistemde, mümkün olan fazlar sadece basınç ve sıcaklığa bağlıdır. İşaretler iki veya daha fazla fazın dengede var olabileceği noktaları gösterir. İşaretlerden uzak sıcaklıklarda ve basınçlarda, dengede sadece bir faz olacaktır.

Diyagramda, sıvı ve gaz arasındaki sınırı işaret eden mavi çizgi süresiz olarak devam etmez, ancak kritik nokta olarak adlandırılan bir noktada sona erer. Sıcaklık ve basınç kritik noktaya yaklaştıkça, sıvı ve gazın özellikleri giderek daha benzer hale gelir. Kritik noktada, sıvı ve gaz ayırt edilemez hale gelir. Kritik noktanın üstünde, artık ayrı sıvı ve gaz fazları yoktur: sadece süperkritik sıvı olarak adlandırılan genel bir sıvı fazı vardır. Suda, kritik nokta 647 K (374 °C veya 705 °F) ve 22.064 MPa'da ortaya çıkar.

Su fazı diyagramının alışılmadık bir özelliği, katı-sıvı faz çizgisinin (noktalı yeşil çizgi ile gösterilmiştir) negatif bir eğime sahip olmasıdır. Çoğu madde için, eğim koyu yeşil çizgide örneklendiği gibi pozitiftir. Suyun bu olağandışı özelliği, sıvı sudan daha düşük bir yoğunluğa sahip olan buzla ilgilidir. Basıncın arttırılması suyu daha yüksek yoğunluk fazına yönlendirir ve bu da erimeye neden olur.

Faz diyagramının ilginç olmasa da bir diğer ilginç özelliği, katı-sıvı faz hattının sıvı-gaz faz hattıyla buluştuğu noktadır. Kesişim üçlü nokta olarak adlandırılır. Üçlü noktada, her üç faz da bir arada bulunabilir.

Deneysel olarak, fazlar, çoklu fazlar oluştuğunda gelişen sıcaklık ve basıncın birbirine bağlı olmasından dolayı haritalamak nispeten kolaydır. Bkz. Gibbs'ın faz kuralı. Bir pistonla donatılmış kapalı ve iyi yalıtılmış bir silindirden oluşan bir test cihazı düşünün. Doğru miktarda su doldurarak ve ısı uygulayarak, sistem faz diyagramının gaz bölgesindeki herhangi bir noktaya getirilebilir. Piston yavaşça indirilirse, sistem faz diyagramının gaz bölgesinde artan sıcaklık ve basınç eğrisini izleyecektir. Gazın sıvıya yoğuşmaya başladığı noktada, sıcaklık ve basınç eğrisinin yönü, tüm su yoğunlaşana kadar faz hattı boyunca aniden değişecek şekilde değişecektir.

Arayüzey fenomenleri

Dengedeki iki faz arasında, özelliklerin her iki fazın da olmadığı dar bir bölge vardır. Bu bölge çok ince olmasına rağmen, bir sıvının yüzey gerilimi göstermesine neden olma gibi önemli ve kolayca gözlemlenebilir etkilere sahip olabilir. Karışımlarda, bazı bileşenler tercihen ara yüze doğru hareket edebilir. Belirli bir sistemin davranışını modelleme, tanımlama veya anlama açısından, arayüzey bölgesini ayrı bir faz olarak ele almak etkili olabilir.

Kristal fazlar

Tek bir malzeme, ayrı fazlar oluşturabilen birkaç farklı katı duruma sahip olabilir. Su, böyle bir malzemenin iyi bilinen bir örneğidir. Örneğin, su buzu normal olarak altıgen buz I_h formunda bulunur, fakat aynı zamanda kübik buz I_c, eşkenar dörtgen buz II ve diğer birçok formda da bulunabilir. Polimorfizm, bir katının birden fazla kristal formunda bulunma yeteneğidir. Saf kimyasal elementler için polimorfizm, allotropi olarak bilinir. Örneğin, elmas, grafit ve fullerenler farklı karbon allotroplarıdır.

Faz geçişleri

Bir madde bir faz geçişine girdiğinde (maddenin bir durumundan diğerine değişir) genellikle enerji alır veya serbest bırakır. Örneğin, su buharlaştığında, buharlaşan moleküller sıvının çekici kuvvetlerinden kaçarken kinetik enerjideki artış, sıcaklıktaki bir azalmaya yansır. Faz geçişini indüklemek için gereken enerji, sıvıyı daha düşük bir sıcaklığa soğutan suyun iç termal enerjisinden alınır; bu nedenle buharlaşma soğutma için yararlıdır. Bkz. Buharlaşma entalpisi. Ters işlem, yoğunlaşma, ısıyı serbest bırakır. Katı-sıvı geçişi ile ilişkili ısı enerjisi veya entalpi, füzyon entalpisi ve katı-gaz geçişi ile ilişkili enerji, süblimasyon entalpisidir.

Denge dışı faz aşamaları

Maddenin aşamaları geleneksel olarak termal dengedeki sistemler için tanımlanmış olsa da, kuantum çok gövdeli lokalize (MBL) sistemler üzerindeki çalışmalar dengedeki fazların tanımlanması için bir çerçeve sağlamıştır. MBL fazları asla termal dengeye ulaşmaz ve lokalizasyon korumalı kuantum sırası olarak bilinen bir fenomenle dengede izin verilmeyen yeni düzen biçimlerine izin verebilir. Farklı MBL fazları arasındaki ve MBL ve termalleştirme fazları arasındaki geçişler, özellikleri aktif araştırma alanları olan yeni dinamik faz geçişleridir.