Fasegedrag

Fasegedrag is een gebied binnen de thermodynamica en materiaalkunde dat het gedrag van materie beschrijft bij veranderingen in toestand, samenstelling en omgevingsomstandigheden. Het omvat de stabiliteit van verschillende fasen (vast, vloeibaar, gas) en hoe fasen in evenwicht kunnen bestaan of overgaan onder invloed van temperatuur, druk en samenstelling.

Een belangrijk instrument is het fase-diagram: een diagram dat bij een gegeven temperatuur en druk (of temperatuur en samenstelling) aangeeft welke fasen stabiel zijn. Bij zuivere stoffen is het gedrag vaak eenvoudig, met vaste fasen en smelt- of kookpunten. Bij mengsels kunnen meerdere fasen naast elkaar bestaan; begrippen als miscibiliteit, eutecticum en scheiding in twee of meer fasen geven de situatie weer. De Gibbs-fase-regel bepaalt hoeveel vrije variabelen kunnen variëren bij een evenwicht.

Fasegedrag kent verschillende mechanismen bij overgangen: bij eerste-order fasetransities ontstaan abrupt veranderingen in eigenschappen zoals enthalpie en volume; bij mengsels kan fasen zich scheiden via nucleatie en groei of via spinodale demixing. De exacte eigenschappen van mengsels hangen sterk af van temperatuur en samenstelling.

Modellen en theorieën geven kwantitatieve voorspellingen. Belangrijke benaderingen zijn de regelmatige oplossing en de Flory-Huggins-theorie voor mengsels, evenals diffuse-interfacebenaderingen zoals de Cahn-Hilliard- beschrijvingen. De Gibbs vrije energie onderbouwt de stabiliteit en de ligging van fasegrenzen.

Meetmethoden omvatten onder meer differentiële scanning calorimetrie (DSC), calorimetrie, röntgendiffraction en lichtverstrooiing; microscopie kan de structuur van meerdere fasen in beeld brengen. Toepassingen van fasegedrag bestrijken materiaalontwerp, polymeren en legeringen, farmaceutische formuleringen en procesontwerp in de chemische industrie.