مخطط الطور

أبسط مخططات الأطوار هي مخططات الضغط-درجة الحرارة لمادة بسيطة واحدة، مثل الماء . يمثل المحوران الضغط ودرجة الحرارة . يُظهر مخطط الطور، في فضاء الضغط- درجة الحرارة، خطوط التوازن أو حدود الأطوار بين الأطوار الثلاثة : الصلب والسائل والغاز .

تُظهر المنحنيات على مخطط الطور النقاط التي تصبح عندها الطاقة الحرة (والخصائص المشتقة الأخرى) غير تحليلية: إذ تتغير مشتقاتها بالنسبة للإحداثيات (درجة الحرارة والضغط في هذا المثال) بشكل مفاجئ. على سبيل المثال، تتغير السعة الحرارية لوعاء مملوء بالثلج بشكل مفاجئ عند تسخينه إلى ما بعد نقطة الانصهار. أما المساحات الفارغة، حيث تكون الطاقة الحرة تحليلية ، فتُقابل مناطق أحادية الطور. وتفصل بين هذه المناطق خطوط ذات سلوك غير تحليلي، حيث تحدث تحولات الطور ، وتُسمى هذه الخطوط حدود الطور .

في الرسم البياني على اليمين، لا يمتد الحد الفاصل بين الطورين السائل والغازي إلى ما لا نهاية، بل ينتهي عند نقطة على مخطط الأطوار تُسمى النقطة الحرجة . ويعكس هذا حقيقة أنه عند درجات حرارة وضغوط عالية للغاية، يصبح من المستحيل التمييز بين الطورين السائل والغازي، ^{[ 3 ]} فيما يُعرف بالمائع فوق الحرج . في الماء، تحدث النقطة الحرجة عند درجة حرارة حرجة تقارب _647.096 كلفن ( 373.946 درجة مئوية) ، وضغط _حرج 22.064 ميجا باسكال (217.75 ضغط جوي) ، وكثافة _حرجة 356 كجم ^{/ م³} . [ ^{4 ]}     

يُشير وجود النقطة الحرجة بين السائل والغاز إلى وجود غموض طفيف في تسمية مناطق الطور الواحد. فعند الانتقال من الطور السائل إلى الطور الغازي، عادةً ما يتم عبور حدود الطور، ولكن من الممكن اختيار مسار لا يعبر هذه الحدود أبدًا بالاتجاه إلى يمين النقطة الحرجة. وبالتالي، يمكن أن يمتزج الطوران السائل والغازي بسلاسة. ولا يمكن أن تنتهي حدود الطور بين الصلب والسائل عند نقطة حرجة إلا إذا كان للطورين الصلب والسائل نفس مجموعة التناظر . ^{[ 5 ]}

بالنسبة لمعظم المواد، يكون لحدود الطور الصلب-السائل (أو منحنى الانصهار) في مخطط الأطوار ميل موجب، مما يعني ارتفاع درجة الانصهار مع الضغط. وينطبق هذا عندما تكون كثافة الطور الصلب أعلى من كثافة الطور السائل. ^{[ 6 ]} كلما زاد الضغط على مادة معينة، تقاربت جزيئاتها، مما يزيد من تأثير قوى التجاذب بين جزيئاتها . وبالتالي، تحتاج المادة إلى درجة حرارة أعلى لكي تمتلك جزيئاتها الطاقة الكافية للخروج من نمط الطور الصلب الثابت والدخول في الطور السائل. وينطبق مفهوم مماثل على تحولات الطور من سائل إلى غاز. ^{[ 7 ]}

يُعدّ الماء استثناءً، إذ يتميز بحدود فاصلة بين حالتي الصلابة والسائلة ذات ميل سالب، ما يؤدي إلى انخفاض درجة انصهاره مع ازدياد الضغط. ويعود ذلك إلى أن كثافة الجليد (الماء الصلب) أقل من كثافة الماء السائل، كما يتضح من طفو الجليد على سطح الماء. وعلى المستوى الجزيئي، يكون الجليد أقل كثافةً لاحتوائه على شبكة أوسع من الروابط الهيدروجينية ، الأمر الذي يتطلب تباعدًا أكبر بين جزيئات الماء. ^{[ 6 ]} ومن الاستثناءات الأخرى الأنتيمون والبزموت . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

عند ضغوط عالية جدًا تتجاوز 50 جيجا باسكال (500000 ضغط جوي)، يخضع النيتروجين السائل لتحول طوري من الحالة السائلة إلى الحالة البوليمرية، ويصبح أكثر كثافة من النيتروجين الصلب عند نفس الضغط. ولذلك، في ظل هذه الظروف، يطفو النيتروجين الصلب أيضًا في سائله. ^{[ 10 ]}

يتم إعطاء قيمة الميل d P /d T بواسطة معادلة كلاوزيوس-كلابيرون للانصهار (الذوبان) ^{[ 11 ]}

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} T}}={\frac {\Delta H_{\text{fus}}}{T\,\Delta V_{\text{fus}}}},}$

حيث ΔH _{_fus} هي حرارة الانصهار، وهي دائمًا موجبة، وΔV _{_fus} هو التغير في الحجم الناتج عن الانصهار. بالنسبة لمعظم المواد، يكون ΔV _{_fus} موجبًا، وبالتالي يكون الميل موجبًا. أما بالنسبة للماء وبعض المواد الأخرى، فيكون ΔV _{_fus} سالبًا، وبالتالي يكون الميل سالبًا.

بالإضافة إلى درجة الحرارة والضغط، يمكن تمثيل خصائص ديناميكية حرارية أخرى بيانيًا في مخططات الأطوار. ومن أمثلة هذه الخصائص: الحجم النوعي ، والمحتوى الحراري النوعي ، والإنتروبيا النوعية . على سبيل المثال، تُستخدم عادةً رسوم بيانية أحادية المكون لدرجة الحرارة مقابل الإنتروبيا النوعية ( T مقابل s ) للماء/ البخار أو للمبردات لتوضيح الدورات الديناميكية الحرارية مثل دورة كارنو ، ودورة رانكين ، ودورة التبريد بضغط البخار .

يمكن تمثيل أي كميتين ديناميكيتين حراريتين على المحورين الأفقي والرأسي في رسم بياني ثنائي الأبعاد. ويمكن تمثيل الكميات الديناميكية الحرارية الإضافية بزيادات على شكل سلسلة من الخطوط - منحنية أو مستقيمة أو مزيج من المنحنية والمستقيمة. ويمثل كل خط من هذه الخطوط الكمية الديناميكية الحرارية عند قيمة ثابتة معينة.

• الرسم البياني بالوحدات الأمريكية
• 
  مخطط المحتوى الحراري-الإنتروبي ( h - s ) للبخار
• 
  مخطط الضغط-المحتوى الحراري ( p - h ) للبخار
• 
  مخطط درجة الحرارة-الإنتروبيا ( T - s ) للبخار

يمكن إنشاء أنواع أخرى أكثر تعقيدًا من مخططات الأطوار، خاصةً عند وجود أكثر من مكون نقي. في هذه الحالة، يصبح التركيز متغيرًا مهمًا. يمكن إنشاء مخططات أطوار بأكثر من بُعدين تُظهر تأثير أكثر من متغيرين على طور المادة. يمكن لمخططات الأطوار استخدام متغيرات أخرى بالإضافة إلى أو بدلاً من درجة الحرارة والضغط والتركيب، مثل شدة مجال كهربائي أو مغناطيسي مُطبق، ويمكنها أيضًا أن تشمل موادًا تتخذ أكثر من ثلاث حالات للمادة. يرسم أحد أنواع مخططات الأطوار درجة الحرارة مقابل التركيزات النسبية لمادتين في خليط ثنائي يُسمى مخطط الطور الثنائي ، كما هو موضح على اليمين. يمكن أن يكون هذا الخليط محلولًا صلبًا أو خليطًا يوتكتيكيًا أو خليطًا محيطيًا ، من بين أنواع أخرى. ينتج عن هذين النوعين من الخلائط رسوم بيانية مختلفة تمامًا. نوع آخر من مخططات الطور الثنائية هو مخطط نقطة الغليان لخليط من مكونين، أي مركبات كيميائية . بالنسبة لمكونين متطايرين محددين عند ضغط معين، كالضغط الجوي مثلاً ، يُظهر مخطط نقطة الغليان تركيبات البخار (الغاز) المتوازنة مع تركيبات سائلة معينة، وذلك تبعاً لدرجة الحرارة. في مخطط نقطة الغليان الثنائي النموذجي، تُرسم درجة الحرارة على المحور الرأسي، بينما يُرسم تركيب الخليط على المحور الأفقي.

يُظهر الشكل مخططًا ثنائي المكونات للمكونين A وB في محلول "مثالي". يفترض إنشاء مخطط طور السائل-البخار وجود محلول سائل مثالي يخضع لقانون راؤول ، ومزيج غازي مثالي يخضع لقانون دالتون للضغوط الجزئية . يشير خط الربط من السائل إلى الغاز عند ضغط ثابت إلى تركيب السائل والغاز على التوالي. ^{[ 14 ]}

يُظهر الشكل على اليمين مثالًا بسيطًا لمكونين افتراضيين 1 و2 في خليط غير أزيوتروبي . وجود خطين منحنيين منفصلين يصلان بين نقطتي غليان المكونات النقية يعني أن تركيب البخار عادةً لا يتطابق مع تركيب السائل الذي يكون البخار في حالة توازن معه. راجع قسم توازن البخار والسائل لمزيد من المعلومات.

إضافةً إلى أنواع مخططات الأطوار المذكورة أعلاه، توجد العديد من التركيبات الأخرى الممكنة. من أبرز سمات مخططات الأطوار النقاط المتطابقة، حيث يتحول الطور الصلب مباشرةً إلى سائل. وهناك أيضًا نقطة التحول المحيطي ، وهي النقطة التي يندمج عندها طوران صلبان في طور صلب واحد أثناء التبريد. أما عكس ذلك، أي عندما يتحول طور صلب واحد إلى طورين صلبين أثناء التبريد، فيُسمى التحول اليوتكتويدي .

يُعد مخطط الطور المعقد ذو الأهمية التكنولوجية الكبيرة هو مخطط نظام الحديد والكربون لأقل من 7٪ كربون (انظر الفولاذ ).

يمثل المحور السيني في هذا الرسم البياني متغير تركيز الخليط. ولأن المخاليط عادةً ما تكون غير مخففة، وكثافتها كدالة لدرجة الحرارة غير معروفة في أغلب الأحيان، فإن مقياس التركيز المفضل هو الكسر المولي . أما استخدام مقياس يعتمد على الحجم، مثل المولارية، فهو غير مستحسن.

يُطلق على النظام ذي المكونات الثلاثة اسم النظام الثلاثي. عند ثبات الضغط، يكون الحد الأقصى لعدد المتغيرات المستقلة ثلاثة: درجة الحرارة وقيمتان للتركيز. لتمثيل التوازن الثلاثي، يلزم رسم مخطط طور ثلاثي الأبعاد. غالبًا ما يُرسم هذا المخطط بحيث يُمثل التركيب مستوى أفقي، بينما تُمثل درجة الحرارة محورًا عموديًا على هذا المستوى. لتمثيل التركيب في النظام الثلاثي، يُستخدم مثلث متساوي الأضلاع، يُسمى مثلث جيبس ​​(انظر أيضًا: مخطط النظام الثلاثي ).

• 
  مثلث جيبس
• 
  مخطط الطور المكاني لنظام ثلاثي

يُرسم مقياس درجة الحرارة على المحور العمودي على مثلث التركيب. وبذلك، يكون النموذج المكاني لمخطط الطور الثلاثي عبارة عن منشور مثلث قائم الزاوية. وتمثل أضلاع المنشور الأنظمة الثنائية المناظرة AB وBC وAC.

ومع ذلك، فإن أكثر الطرق شيوعًا لعرض توازن الأطوار في نظام ثلاثي هي ما يلي: 1) إسقاطات على مثلث التركيز ABC لأسطح السيولة والصلابة والذوبان؛ 2) مقاطع متساوية الحرارة؛ 3) مقاطع رأسية. ^{[ 15 ]}

تحتوي المواد متعددة الأشكال والمواد متعددة الأشكال غير المتبلورة على أطوار بلورية أو غير متبلورة متعددة، والتي يمكن تمثيلها بيانيًا بطريقة مماثلة للأطوار الصلبة والسائلة والغازية.

تمر بعض المواد العضوية بحالات وسيطة بين الصلابة والسيولة؛ وتُسمى هذه الحالات بالأطوار المتوسطة . وقد وُجّه الاهتمام إلى الأطوار المتوسطة لأنها تُمكّن من تصنيع أجهزة العرض ، وأصبحت ذات أهمية تجارية بفضل ما يُعرف بتقنية البلورات السائلة . وتُستخدم مخططات الأطوار لوصف حدوث الأطوار المتوسطة. ^{[ 17 ]}