تغییر فاز

سیستمی همگن از مواد در یکی از حالت‌های گاز، مایع یا جامد را یک فاز می‌نامند. یک فاز تابع متغیرهای حالت ترمودینامیکی فشار p و دما T می‌باشد.

پدیده تبدیل یک فاز به فاز دیگر تغییر فاز نامیده می‌شود.

در شرایط بالای نقطه بحرانی 3 فازهای مایع و بخار در برخی مواد مانند آب دیگر قابل تشخیص نمی‌باشد. خواص فیزیکی در جایی بین دو فاز قرار می‌گیرد: دانسیته مربوط به دانسیته فاز مایع است، و ویسکوزیته برابر ویسکوزیته فاز گاز. چنین فازی با نام فاز «فوق بحرانی» شناخته می‌شود. در این فاز سیال نه می‌تواند تبخیر شود و نه چگالش یابد.

ویژگی دیگری در برخی سیستم‌های مواد همچون آب به چشم می‌خورد که با نام نقطه سه گانه 1 شناخته می‌شود. در این نقطه سه فاز جامد، مایع و گاز در تعادل با یک‌دیگر اند و همه‌ي شش تغییر بین فازها به طور همزمان رخ می‌دهند.

توضیح تصویر - نمودار دما-فشار آب؛ 1 نقطه سه‌گانه، 2 نقطه جوش، 3 نقطه بحرانی.

در سیستم بسته‌ی پرشده با مایع، تعادلی بین فاز مایع و فاز بخار حاصل از آن برقرار می‌شود. این حالت به حالت اشباع معروف است. فشار حاکم در این شرایط را فشار بخار، و دما را دمای اشباع می‌نامند.

فرایند تغییر فاز تبخیر

بخار آب در بسیاری از فرآیندهای مهندسی استفاده می‌شود. از رایج‌ترین کاربردهای فرآیندهای گرمادهی و همینطور توربین‌های بخار در نیروگاه‌ها می‌باشند.

نمونه‌هایی از کاربردهای بخار در فرآیندها شامل موارد زیر هستند:

گرمایش: مثلاً در مبدل‌های حرارتی پوسته-لوله برای گرما دادن به یک فرآورده
نیرو محرکه: مانند توربین‌های بخار، موتورهای بخار
اتمایز کردن: به منظور جداسازی مکانیکی سیالات، مثلاً در مشعل‌های گاز برای حذف ذرات دوده در دودکش گاز.
شست و شو: شوینده‌های بخار در از بین بردن کثیفی‌ها
رطوبت‌دهی به محصول: تهیه کاغذ
رطوبت‌زنی هوا: رطوبت‌زن‌های بخار آب در تونل‌های هوا

بین گاز ایده‌آل، گاز واقعی و بخار تمایز قائل می‌شوند. در یک گاز ایده‌آل، فشار و حجم دقیقاً رابطه‌ي معکوس دارند، ولی در گاز واقعی این تنها یک تقریب است. در بخارها فشار، بسته به درجه اشباع بودن، تنها اندکی با تغییر حجم تغییر می‌کند.

بخار اشکال مختلفی دارد:

بخار تر: حالت‌های مایع و بخار مولکول‌های آب در یک سیستم، تعدادی از مولکول‌های آب گرمای تبخیر خود را آزاد کرده و به صورت قطرات ریز آب چگالش می‌یابند.

بخار اشباع: ناحیه مرز بین بخار تر و بخار داغ، حالتی که در آن آخرین قطره‌ی آب از مایع به گاز تغییر پیدا می‌کند. افزودن مقدار بیشتر گرما به سیستم فراتر از نقطه جوش به ایجاد بخار فوق گرم منجر می‌شود.

بخار فوق گرم: بخاری با دمای بالاتر از نقطه جوش، حالت گاز برای مولکول‌های آب خالص (گاز واقعی).

بخار فوق بحرانی: بخار در دماهای بالای نقطه بحرانی.

توضیحات شکل - تبخیر آب: تغییر حالت با حرارت دادن آب در فشار ثابت p=1bar؛
T دما، v حجم ویژه، 1 مایع، 2 مایع در حال جوش، 3 بخار غیر اشباع (تر)، 4 بخار اشباع، 5 بخار فوق گرم (گاز)