相図：種類と例
相図入門
相図は、化学や材料科学において不可欠なツールであり、温度や圧力の異なる条件下における物質の物理的状態を図式化したものです。これらの図は、科学者やエンジニアが、加熱、冷却、圧縮などのプロセスにおける物質の挙動を予測するのに役立ちます。
物質の状態
物質の3つの主要な状態（固体、液体、気体）を理解することは、相図を解釈するための基本です。
固体
固体の状態では、分子は固定された構造の中にぎっしりと詰まっており、その結果、明確な形と体積を持つ。固体は液体や気体に比べて密度が高く、エントロピーが小さい。
液体
液体の体積は一定だが、容器の形をとる。液体の分子は固体よりも密に詰まっていないため、流動性があり、エントロピーが大きい。
気体
気体には明確な形も体積もない。分子の間隔が広く、自由に動くため、3つの状態の中で最もエントロピーが大きい。
相図の主な特徴
相図には通常、いくつかの重要な特徴があります：
- 三重点：固相、液相、気相が平衡状態で共存するユニークな条件。
- 臨界点：気体が液化できない温度と圧力。
- 相境界：ある相が別の相に変化する条件を示す、異なる相を分離する線。
相図の重要性
相図は、以下のような様々な用途において非常に重要です：
- 材料科学：材料科学：加工中に相を制御することにより、特定の特性を持つ材料を設計する。
- 気象学：大気の状態や気象パターンを理解する。
- 化学工学温度と圧力の制御による反応と分離の最適化。
相図表
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相領域 |
特徴 |
条件例 |
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固体 |
形状と体積が固定され、エントロピーが低い。 |
0℃、1気圧の氷 |
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液体 |
体積は一定、形状は容器に適応 |
25℃、1気圧の水 |
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気体 |
形状や体積が一定せず、エントロピーが大きい |
100℃、1気圧の水蒸気 |
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三重点 |
3つの相が共存 |
水の場合、0.01℃、0.006気圧 |
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臨界点 |
この点を超えると液相と気相の区別がつかなくなる |
水の場合、374℃、218気圧 |
詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
よくある質問
相図からどのような情報が得られますか？
相図は、様々な温度と圧力下での異なる相（固体、液体、気体）の安定性を示し、材料の挙動を予測するのに役立ちます。
相図において三重点はどのように重要ですか？
三重点は、固相、液相、気相が平衡状態で共存する場所であり、相転移を研究するためのユニークな条件を提供します。
相図上の臨界点では何が起こるのですか？
臨界点では、液相と気相の区別がなくなり、独特の性質を持つ超臨界流体となります。
相図は混合物にも、純粋な物質にも使えますか？
純物質でも混合物でも相図は作成できますが、混合物の相図は変数が増えるためより複雑になります。
相図は工業的な応用にどのように役立ちますか？
異なる条件下での相変化を予測することで、結晶化、蒸留、物質合成などのプロセス設計に役立ちます。
