منحنيات الأطوار (Phase Diagrams) تعبير رسوم بيانية تشبه الخرائط تدلنا عند جميع درجة الحرارة مثلا علي حالة السبيكة سواء أكانت سائلة أوصلبة أوشبه صلبة وكذلك علي عدد الأطوار المستقرة فيها ونسبة جميع طور من وزن السبيكة والهجريب الكميائي لكل طور . أما الشائع والأكثر استخداما من بين أنواع منحنيات الأطوار فهومنحنيات الأطوار الثنائية وذلك في فهم الفلزات ）تسمى أحيانا المعادن（ وسبائكها. أما منحنيات الأطوار الثلاثية ）وهى أكثر تعقيدا وصعوبة من السابقة（ فيغلب استخدامها في علوم وتكنولوجيا الخزفيات. أما منحنيات الأطوار الرباعية وما فوقها فنادرا ما تستخدم لصعوبة استقاء المعلومات منها وكذلك لصعوبة انشائها. ويستعاض عن ذلك بتقريبها من المنحنيات الثنائية أوالثلاثية.

تعريفات

قبل حتى نبدأ في شرح منحنيات الأطوار ببعض التفصيل يجب حتى نعهد بدقة المقصود من بعض المصطلحات المستخدمة في هذا الموضوع مثل: عنصر ومكون وسائل وجامد وطور وخليط ومحلول جامد ، ويجب كذلك حتى نتناول بالشرح قاعدة الأطوار لأهميتها هنا.

• عنصر (Element) هو أى من عناصر الجدول الدورى.
• طور (Phase) هوجزء من المنظومة متجانس تجانسا طبيعيا (فزيائيا) وكيميائيا.
• محلول ( Solution) هوالطور الناتج عن ذوبان مكون أوأكثر (يسمى المذاب) في مكون آخر (يسمى المذيب).
• محلول جامد (Solid Solution) هوالطور الناتج عن ذوبان مكون (يسمى المذاب) في مكون آخر (يسمى المذيب) دون حتى يغير ذلك في الهجريب البللورى للمذيب ( أى أنه مستقر في الحالة الجامدة).
• خليط أوخليط ميكانيكى (Mixture) هومادة مكونة من أكثر من طور.
• اتزان (Equilibrium) هى الحالة التى لا يحدث فيها أى تفاعل بين الأطوار المتواجدة داخل المنظومة.
• طور شبه مستقر (Metastable Phase) هوالطور المستقر استقرارا مؤقتا في ظروف معينة مثل ضغط و درجة حرارة معينين ، وقد يتحول إلى حالة الاستقرار أوالاتزان عند تغير هذه الظروف.
• درجة الحرية (Degree of Freedom) هى عدد المتغيرات (مثل الضغط و درجة الحرارة والهجريب الكيميائى) الممكن تغييرها بشكل مستقل في ظروف المنظومة دون حتى يؤدي ذلك أى تغير في عدد أونوع الأطوار الموجودة في حالة اتزان داخل المنظومة.
• نقطة ثلاثية (Triple Point) هى الضغط ودرجة الحرارة اللازمان لحدوث اتزان بين أطوار المادة النقية (الجامد والسائل والغازى) ، أى تواجد هذه الأطوار معا في حالة مستقرة ، كما هومشروح في الشكل اللقاء في حالة الماء.
• المواد النقية (Pure Substance) تتواجد غالبا في ثلاثة أطوار: الجامد والسائل والغازى وذلك تبعا لدرجة الحرارة والضغط المؤثرين عليها، ويتزن الطوران الجامد والسائل عند نقطة الانصهار، أما عند نقطة الغليان فيتزن عندها الطوران السائل والغازى.

مثال

لناخذ مثال الماء واطواره الثلاثة المعروفة: ماء (سائل)، وثلج (صلب)، وبخار (غاز) ومخططه ممثل في الشكل المجاور. نعهد حتى الماء يغلي عند درجة حرارة 100 مئوية وتحت الضغط الجوي. ولنتتبع المنحنى إلى اليمين من عند تلك النقكة. فعندما نحمل الضغط عن 1 بار (1 ضغط جوي) نجد حتى حالة التوازن بين الماء وبخاره تنتقل يمينا على المنحنى وترتفع نقطة الغليان. ومع استمرار حملنا للضغط غلى الماء نجد حتى درجة الغليان تظل تنزاح طبقا للمنحنى إلى اليمين وترتفع ولا يزال لدينا طورين في حالة توازن : الماء والبخار، حتى نصل إلى ما يسمى نقطة حرجة عندها يختفي سطح الماء ويتشكل ما يشبه الضباب في أنبوبة الأختبار. عند تلك النقطة نكون قد وصلنا أيضا إلى "الضغط الحرج ". وعندما نحمل درجة الحرارة إلى درجة أعلى من النقطة الحرجة ينقشع الضباب ويصبح الأنبوب شفافا وتسمى الماء في تلك الحالة "سائل فوق حرج ". ومعني حتى الأنبوب شفافا حتى الماء وبخاره قد كونا حالة جديدة لا هي ماء ولا هوبخار، ولا يوجد فاصل بينهما.

وعندما نبرد العينة ثانيا من تلك الدرجة العالية ونصل إلى النقطة الحركة تظهر الحالة الضبابية ثانيا لمدة قصيرة ويعود الصفاء ثانيا مع انخفاض درجة الحرارة عن الدرجة الحرجة ونستطيع رؤية ماء في أسفل الأنبوب وبخار شفاف لأنبوب.

والآن نريد فهم باقي مخطط الطور، فلنستمر في خفض الضغط تحت 1 ضغط الجوي فنجد ان درجة الغليان تنخفض هي الأخرى تحت 100 درجة مئوية. ونستمر في خفض الضغط على طوري الماء وبخاره ونجد ان درجة الغليان تنخفض بانخفاض الضغط حتى نصل إلى نقطة تسمى نقطة ثلاثية (عند 0 درجة مئوية و006و0 ضغط جوي)، ويتواجد عندها تلاثة أطوار للماء في نفس الوقت : ماء وثلج وبخار. لذلك تسمى تلك النقطة "نقطة ثلاثية ".

والآن، عندما نخفض الضغط تحت 006و0 ضغط جوي ونتتبع المنحنى السفلي نجد حتى هذا الجزء من المنحنى يمثل حالة توازن بين البخار (أسفل) والثلج (أعلى)، ويختفي الماء. أما إذا بدأنا من النقطة الثلاثية وأزدنا الضغط على الثلاثة أطوار نجد حتى درجة حرارة انصهار الماء تنخفض هي الأخرى وتصبح أقل من 0 درجة مئوية، ويختفي البخار ويصبح التوازن موجود بين طور الماء السائل وطور الثلج .

الأنواع

أطوار الماء

النقطة الحرجة حسب المفهوم الفهمي في الكيمياء الفيزيائية والتحريك الحراري وفيزياء المواد المكثفة هي النقطة من الضغط ودرجة الحرارة التي لا يوجد فيها فواصل واضحة بين حالات المادة، (مثل فواصل بين الحالة السائلة، والحالة الصلبة، أوالحالة الغازية).

يوجد الماء في ثلاثة أطوار : السائل، والغازي في هيئة بخار، والصلب في هيئة الثلج. ومن المعهود لنا تواجد الماء في طورين في نفس الوقت :ماء وبخار، أوماء وثلج. فمثلا عندما نسخن الماء فيتواجد الماء السائل والبخار. كذلك وجود الطورين ثلج وماء معهود لدينا عند انصهار الثلج.

في الشكل يمثل المحور الأفقي تغير درجة الحرارة والمحور الرأسي تغير الضغط . نجد طبقا لهذا الشكل نقطة تسمى نقطة ثلاثية تتواجد فيها الثلاثة أطوار في نفس الوقت. أما ماعدا ذلك فيوجد طوران في نفس الوقت إما ثلج وماء أوثلج وبخار أوبخار وماء. وتبين المنحنيات تغير درجة الحرارة وما يتبعها من تغير في الضغط بين جميع طورين متلامسين (كل منحنى من تلك الثلاثة منحنيات تشكل توازن بين طورين). عند النقطة الثلاثية تتواجد الثلاثة أطوار في نفس الوقت في حالة توازن.

ما هي حالة التوازن ؟ لدينا في مخطط الطور ثلاثة حالات للتوازن تنتمي إلى الثلاثة فروع من المنحنيات (مخطط طور الماء):

1. المنحنى الأزرق : توازن بين الماء وبخاره، بمعنى ان معدل تبخر الماءقد يكون مساويا لمعدل تكثف البخار.
2. المنحنى الأحمر : توازن بين الثلج والبخار، بمعنى حتى معدل تحول الثلج إلى بخارقد يكون مساوية لمعدل تحول البخار إلى ثلح.
3. المنحنى الأخضر المنقط : توازن بين الماء والثلج، بمعنى حتى معدل تحول الماء إلى ثلج (تجمد) يساوي معدل تحول الثلج إلى ماء (انصهار). مسيرة المنحنى الأخضر المنقط تختص بالماء فقط (حالة شاذة تختص بالماء). أما بقية المواد فهي تتبع الخط الأخضر.

شذوذ الماء :

رأينا حتى المنحنى الأخضر المنقط للماء يختلف قليلا عن مسيرة المنحنى الأخضر الخاص بجميع المواد الأخرى (المعروفة) ذلك لأن الماء يتمدد عند تحوله إلى ثلج، بعكس جميع المواد الأخرى فهي تنكمش عند تجمدها.

قيمة الميل dP/dT نحصل عليه من معادلة كلاپيرون للانصهار (الذوبان)

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d P {\mathrm {d T ={\frac {\Delta _{fus H {T\,\Delta _{fus V ,$

حيث ΔH_fus هي حرارة الانصهار التي هي دائماً موجبة، وΔV_fus هي التغير الحجمي للانصهار. لمعظم المواد ΔV_fus تكون موجبة حتى حتى الميلقد يكون موجباً. إلا أنه للماء والاستثناءات الأخرى، ΔV_fus تكون سالبة حتى حتى الميلقد يكون أيضاً سالباً.

خصائص ثرموديناميكية أخرى

بالاضافة لدرجة الحرارة والضغط، other thermodynamic properties may be graphed in phase diagrams. Examples of such thermodynamic properties include specific volume, specific enthalpy, or specific entropy. For example, single-component graphs of temperature vs. specific entropy (T vs. s) for water/steam or for a refrigerant are commonly used to illustrate thermodynamic cycles such as a Carnot cycle, Rankine cycle, or vapor-compression refrigeration cycle.

In a two-dimensional graph, two of the thermodynamic quantities may be shown on the horizontal and vertical axes. Additional thermodynamic quantities may each be illustrated in increments as a series of lines - curved, straight, or a combination of curved and straight. Each of these iso-lines represents the thermodynamic quantity at a certain constant value.

المخططات ثلاثية الأبعاد

It is possible to envision three-dimensional (3D) graphs showing three thermodynamic quantities. For example, for a single component, a 3D Cartesian coordinate type graph can show temperature (T) on one axis, pressure (p) on a second axis, and specific volume (v) on a third. Such a 3D graph is sometimes called a p–v–T diagram. The equilibrium conditions are shown as curves on a curved surface in 3D with areas for solid, liquid, and vapor phases and areas where solid and liquid, solid and vapor, or liquid and vapor coexist in equilibrium. A line on the surface called a triple line is where solid, liquid and vapor can all coexist in equilibrium. The critical point remains a point on the surface even on a 3D phase diagram.

للماء، فإن مخطط p–v–T ثلاثي الأبعادقد يكون كالتالي:

• منحنى أطوار ثلاثي الأبعاد لموائع الماء وثلوج مختارة.

An orthographic projection of the 3D p–v–T graph showing pressure and temperature as the vertical and horizontal axes collapses the 3D plot into the standard 2D pressure–temperature diagram. When this is done, the solid–vapor, solid–liquid, and liquid–vapor surfaces collapse into three corresponding curved lines meeting at the triple point, which is the collapsed orthographic projection of the triple line.

الخليط الثنائي

في هذا الشكل إلى اليسار سائل نقي 2 [ مثل الماء] له درجة غليان مبينة على المحور الرأسي إلى اليسار وإلى اليمين سائل نقي 1 [مثل كحول) وله درجة غليان نقرؤها على المحور الرأسي إلى اليمين. ويبين المحور الأفقي النسبة الموليه وهي تقول أنه عند المحور اليساري تكون نسبة الكحول في الماء 0، فقد افترضنا هنا وجود الماء النقي ودرجة غليانه مبين على المحور الرأسي. فإذا تابعنا زيادة نسبة الكحول في الماء بالانزياح إلى يمين المحور الأفقي، نجد حتى نسبة الكحول تتزايد حتى تصبح 1 (أو100%) عند المحور الرأسي حيث يوجد كحول نقي و0 ماء. ونستطيع قراءة نقطة غليان الكحول النقي على محوره.

لدينا عند المحور اليميني كحول 100 % و0% ماء، وبالانزياح نحواليسار يمكننا فهم نسبة جميع مخلوط، مثل 70% كحول/ 30% ماء أو50% كحول : 50 % ماء (أو0.5 كحول/0.5 ماء).

نجد ان جميع مخلوط بنسبة معينة له درجة غليان تقع على المنحنى السفلي، وتلك الدرجة تكون بين درجة غليان الماء ودرجة غليان الكحول. تحت هذا المنحنى نجد الحالة السائلة للمخلوط (أزرق). ونجد منحنى ثان أعلى من الأول ويشغله من أعلى مخلوط من يخار الماء وبخار الكحول (أحمر). أما في المساحة المحصورة بين المنحنيين فهي تمثل مخلوط غاز مشبع وسائل (ماء وكحول وبخاريهما في حالة تشبع).

يستخم هذا المنحنى في تتبع عملية التبخير وفصل الكحول عن الماء (انظر تقطير). وتستخم منحنيات مماثلة لفصل معدنين مثلا وتنقيتهما.

مخطط أطوار الحديد والكربون

يبين منحنى أطوار الحديد والكربون تكوّن الكثير من سبائك الحديد تختلف فيما بينها باختلاف نسبة الكربون في الحديد ودرجة الحرارة وطريقة المعاملة الحرارية حتى الوصول إلى درجة حرارة الغرفة أوالتقسية. مخطط الحديد والكربون من المخططات الهامة في تقنية الحديد الصلب والفولاذ حيث يتم تصنيع أنواع من الفولاذ تكون فيها نسبة الكربون أقل من 7% (انظر الفولاذ).

ويتسم مخطط الحديد والكربون بنقطتين يوتكتيتين.

النقطة اليوتكتية الأولى في نظام أصهري للحديد والكربون هي أخفض درجة حرارة ينصهر عندها المزيج . فالنقطة تفصل بين الحالة السائلة (أعلى المنحنى) والحالة الصلبة (اسفل المنحنى). طبقا للرسم البياني لاطوار الحديد والكربون نجد نقطة يوتكتية أولى عند درجة حرارة 1140° درجة مئوية ونسبة كربون مقدارها 4.2% في الحديد.

البلورات

Polymorphic and polyamorphic substances have multiple crystal or amorphous phases, which can be graphed in a similar fashion to solid, liquid, and gas phases.

الأطوار الوسيطة

Some organic materials pass through intermediate states between solid and liquid; these states are called mesophases. Attention has been directed to mesophases because they enable display devices and have become commercially important through the so-called liquid-crystal technology. Phase diagrams are used to describe the occurrence of mesophases.

انظر أيضا

• حد طور
• حالة سائلة
• ميوعة فائقة
• تقطير
• نسبة مولية
• رواية (تكنولوجيا)
• محلول

وصلات خارجية

مشاع الفهم فيه ميديا متعلقة بموضوع Phase diagram.

• A collection of about 150 alloy phase diagrams and some PT diagrams
• Iron-Iron Carbide Phase Diagram Example
• How to build a phase diagram
• Phase Changes: Phase Diagrams: Part 1
• Equilibrium Fe-C phase diagram

المصادر

(1) G. F. Carter and D. E. Paul, Materials Science & Engineering, ASM International, 1991.

(2) W.F. Smith, Principles of Materials Science and Engineering, McGraw-Hill, 1986.

(3) L.H. Van Vlack, Elements of Materials Science and Engineering, 6th edition, Addison-Wesley, 1989.