相変化の話

【相変化の話】

相変化とは　代表的な現象は（＊1）

固体ー液体ー気体

と同じ物質の状態変化のことです。

自然の現象で共通しているのは、

環境の変化に逆行する方向に相変化が起きる。

ということです。

【液体ー気体の事例】

気圧が下がると沸点が下がる現象

（気圧の低い高い山の上では100度よりも低い温度で水が沸騰する）

水／水蒸気

体積　18cc／22400cc

つまり、水が蒸発すると1244倍体積が増える。

そのため、気圧が高くなると沸点は上がる。

「環境の変化に逆行する方向に相変化が起きる。」

逆に、気圧が下がると、沸点は下がる。

【固体ー液体の事例】

何故、スキーやスケートは滑るのか？

の仕組みです。

H2Oは、固体（氷）になると液体（水）よりも、密度が低くなる。

この氷が水に浮く特性を持つことは、さまざまな現象を起こす。

氷／水

において、

0.917 ／1

氷は8％程軽い。

よって、氷に圧力を加えると、水になる融解温度（融点）が下がる。

「環境の変化に逆行する方向に相変化が起きる。」

つまり、鋭いスケート靴のエッジで氷に乗ると、乗った所の氷が体重がかかることで圧力が上がり、融点が下がり液体（水）面ができる。その結果、滑る。

H2Oは、固体（氷）になると液体（水）よりも、密度が低くなる。

この物質の特徴を解りやすく図示したグラフが　相図と呼ばれます。

「H2Oは、固体（氷）になると液体（水）よりも、密度が低くなる。」

はこの図で言うと、

Ｏ−Ｂの線が負の傾きを持つ（＝左側に寐ている）。

これが特異的な特性であることは、ＣＯ２のカーブを見ると解る。

地球が氷だらけだった時代から、水の惑星になるとき。

逆に、

水の惑星から、氷だらけになるとき。

何が起こっていたかをこの相図の観点で考えると面白いです。

出典：

https://www.amazon.co.jp/molymod-モリモッド-結晶-構造-キット/dp/B010AVNHY4

https://kusuri-jouhou.com/img/physics-aaa9.gif

【初出】facebook iMeasure Inc.

https://www.facebook.com/iMeasureInc/posts/4938888899516137

＊1）

相変化は、厳密には原子や分子の配列構造の変化を意味します。
個体から個体の場合も相変化と呼び、代表的なものは、

日本刀の焼き入れの際に人工的に起こしている　マルテンサイト変態　です。

鉄は、高温時に、面心立方（サイコロの角8箇所にFeの原子、6つの面の中央に1個づつFeの原子）の配列を持ちます。

低温時には、体心立方（サイコロの角8箇所にFeの原子、その真ん中に1個Feの原子）の配列を持ちます。


しかし、高温の面心立方のままで、一気に水に浸けて焼き入れを行うと、

低温の体心立方の構造に徐々に「相変化」を起こした場合には生じない、寸法歪みが生じます。

その歪みを解消するために、たくさんの「滑り」（学術用語で転位 dis-location）が生じる。

この、きめ細かな転位が入ることで、鉄が固くなります。

これが、焼き入れにより鉄が固くなるメカニズムです。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8a/Iron_carbon_phase_diagram.svg

補足）
純鉄の結晶構造の変化。

低温側から、α（bcc)→γ（fcc)→δ（bcc)→液体。