PHASENÜBERGANG, Phasenumwandlung im weiteren Sinne - der Übergang einer Substanz von einer Phasen zu einem anderen, wenn sich die äußeren Bedingungen ändern - Temperatur, Druck, magnetisch und elektrisch. Felder usw.; im engeren Sinne - eine abrupte körperliche Veränderung. Eigenschaften mit einer kontinuierlichen Änderung der externen Parameter. Der Unterschied zwischen den beiden Interpretationen des Begriffs "F. p." aus folgendem Beispiel ersichtlich. Im engeren Sinne ist der Übergang eines Stoffes von der Gasphase in die Plasmaphase (vgl. Plasma) ist kein F. p., da Ionisation Gas tritt allmählich auf, aber im weitesten Sinne ist es F. p. In diesem Artikel wird der Begriff "F. p." im engeren Sinne betrachtet.

Der Wert von Temperatur, Druck oder k.-l. ein weiterer körperlicher Die Größen, bei denen ein Phasenübergang auftritt, werden als Übergangspunkt bezeichnet.

Es gibt F. S. von zwei Arten. Während F. p. der ersten Art ändern sich solche thermodynamischen Bedingungen abrupt. Eigenschaften eines Stoffes, wie Dichte, Konzentration von Bestandteilen; in einer Masseeinheit wird eine ganz bestimmte Wärmemenge freigesetzt oder aufgenommen, die als bezeichnet wird. Übergangswärme. Mit F. p. der zweiten Art von irgendeiner Art von physischem. ein Wert gleich Null auf einer Seite des Übergangspunkts steigt allmählich (von Null), wenn Sie sich vom Übergangspunkt weg zur anderen Seite bewegen. Dabei ändern sich Dichte und Konzentrationen kontinuierlich, Wärme wird nicht abgegeben oder aufgenommen.

F. p. ist ein in der Natur weit verbreitetes Phänomen. Zu den phonischen Phänomenen der ersten Art gehören beispielsweise: Verdunstung und Kondensation, Schmelzen und Erstarren, Sublimation und Kondensation in eine feste Phase und bestimmte Strukturübergänge in Festkörpern. Bildung Martensit in einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung. BEIM Antiferromagnete mit einer Magnetisierungsachse von magnetischen Untergittern Ein Phasenübergang der ersten Art tritt in einem äußeren Magnetfeld auf, das entlang der Achse gerichtet ist. Bei einem bestimmten Wert des Feldes werden die Momente der magnetischen Untergitter senkrecht zur Feldrichtung gedreht (es kommt zum "Umkippen" des Untergitters). In reinen Supraleitern induziert ein Magnetfeld einen Phasenübergang erster Art vom supraleitenden in den Normalzustand. .

Beim Absoluter Nullpunkt Temperatur und einem festen Volumen ist die Phase mit dem niedrigsten Energiewert thermodynamisch im Gleichgewicht. Ein Phasenübergang erster Art tritt in diesem Fall bei jenen Werten von Druck und äußeren Feldern auf, bei denen die Energien zweier verschiedener Phasen verglichen werden. Wenn Sie nicht das Volumen des Körpers festlegen V, und der Druck R, dann in einem thermodynamischen Zustand. Gleichgewicht, das Minimum ist die Gibbs-Energie F (oder G), und am Übergangspunkt im Phasengleichgewicht gibt es Phasen mit denselben Werten von F .

Viele Substanzen kristallisieren bei niedrigen Drücken zu locker gepackten Strukturen. Kristallin zum Beispiel Wasserstoff besteht aus Molekülen, die sich in relativ großen Abständen voneinander befinden; Struktur Graphit ist eine Reihe weit voneinander entfernter Schichten von Kohlenstoffatomen. Bei ausreichend hohen Drücken entsprechen solche lockeren Strukturen großen Werten der Gibbs-Energie. Niedrigere Werte von Ф unter diesen Bedingungen entsprechen dicht gepackten Phasen im Gleichgewicht. Daher wandelt sich Graphit bei hohen Drücken in um Diamant, und molekular kristallin. Wasserstoff muss in Atom (Metall) gehen. Quantenflüssigkeiten 3 He und 4 He bleiben bei Normaldruck bis zu den niedrigsten erreichten Temperaturen (T ~ 0,001 K) flüssig. Der Grund dafür ist die schwache Wechselwirkung der Teilchen und die große Amplitude ihrer Schwingungen bei temp-pax nahe abs. Null (die sogenannten Nullschwingungen). ). Ein Druckanstieg (bis 20 Geldautomat bei T = 0 K) führt zur Verfestigung von flüssigem Helium. Bei Temp-Pax ungleich Null und gegebenem Druck und gegebener Temperatur ist die Gleichgewichtsphase immer noch die Phase mit der minimalen Gibbs-Energie (die minimale Energie, von der die Arbeit der Druckkräfte und die an das System gemeldete Wärmemenge abgezogen werden). .

Für F. p. der ersten Art ist das Vorhandensein eines Bereichs metastabilen Gleichgewichts in der Nähe der Kurve des F. p. erster Art charakteristisch (z. B. kann eine Flüssigkeit auf eine Temperatur über dem Siedepunkt erhitzt werden oder unter den Gefrierpunkt unterkühlt). Metastabile Zustände lange Zeit bestehen, da die Bildung einer neuen Phase mit einem niedrigeren Wert von F (thermodynamisch günstiger) mit dem Auftreten von Keimen dieser Phase beginnt. Der Gewinn an Φ-Wert während der Bildung eines Keims ist proportional zu seinem Volumen, und der Verlust ist proportional zur Oberfläche (zum Wert Oberflächenenergie). Die daraus resultierenden kleinen Embryonen vermehren sich F, und deshalb werden sie mit überwältigender Wahrscheinlichkeit abnehmen und verschwinden. Keime, die eine bestimmte kritische Größe erreicht haben, wachsen jedoch, und die gesamte Substanz geht in eine neue Phase über. Die Bildung des Embryos ist entscheidend. Größe ist ein sehr unwahrscheinlicher Prozess und tritt ziemlich selten auf. Die Wahrscheinlichkeit der Keimbildung ist kritisch. Die Größe nimmt zu, wenn die Substanz fremde makroskopische Einschlüsse enthält. Größen (z. B. Staubpartikel in einer Flüssigkeit). schließen kritischer Punkt Durch den Unterschied zwischen den Gleichgewichtsphasen und der Abnahme der Oberflächenenergie bilden sich leicht Kerne mit großen Abmessungen und bizarren Formen, was die Eigenschaften der Substanz beeinflusst .

Beispiele der F. S. II Art - das Auftreten (jeweils unterhalb einer bestimmten Temperatur) eines magnetischen Moments in einem Magneten beim Übergang Paramagnet - Ferromagnet, antiferromagnetische Ordnung beim Übergang Paramagnet - Antiferromagnet, Auftreten von Supraleitung in Metallen und Legierungen, Auftreten von Suprafluidität in 4 He und 3 He, Ordnung von Legierungen, Auftreten von spontaner (spontaner) Polarisation von Materie während des Übergangs von Paraelektrika ferroelektrisch usw.

L.D. Landauer(1937) schlugen eine allgemeine Interpretation aller PTs der zweiten Art als Punkte der Symmetrieänderung vor: Oberhalb des Übergangspunkts hat das System eine höhere Symmetrie als unterhalb des Übergangspunkts. Zum Beispiel in einem Magneten oberhalb des Übergangspunkts der Richtung elementarer magnetischer Momente (dreht sich) Partikel sind zufällig verteilt. Die gleichzeitige Drehung aller Spins ändert also nichts am Physikalischen. Systemeigenschaften. Unterhalb der Übergangspunkte haben die Rücken eine Vorzugsorientierung. Ihre gleichzeitige Rotation ändert die Richtung des magnetischen Moments des Systems. Ein anderes Beispiel: in einer Zweikomponentenlegierung, deren Atome A und B befindet sich an den Knoten einer einfachen Kubik Kristallgitter, der ungeordnete Zustand ist durch eine chaotische Verteilung der Atome L und B über die Gitterplätze gekennzeichnet, so dass eine Verschiebung des Gitters um eine Periode seine Eigenschaften nicht ändert. Unterhalb des Übergangspunkts sind die Legierungsatome geordnet: ...ABAB... Eine Verschiebung eines solchen Gitters um eine Periode führt zum Austausch aller Atome A durch B oder umgekehrt. Als Folge der Ordnungsbildung in der Anordnung der Atome nimmt die Symmetrie des Gitters ab.

Die Symmetrie selbst erscheint und verschwindet abrupt. Der die Asymmetrie charakterisierende Wert (Ordnungsparameter) kann sich jedoch kontinuierlich ändern. Bei einem Phasenübergang zweiter Art ist der Ordnungsparameter oberhalb des Übergangspunktes und am Übergangspunkt selbst gleich Null. In ähnlicher Weise verhält sich beispielsweise das magnetische Moment eines Ferromagneten, elektrisch. Polarisation eines Ferroelektrikums, Dichte der superflüssigen Komponente in flüssigem 4 He, Wahrscheinlichkeit, ein Atom nachzuweisen SONDERN an der entsprechenden Stelle des Kristalls. Gitterroste aus Zweikomponentenlegierungen usw.

Charakteristisch für Phase II zweiter Art ist das Ausbleiben von Dichte-, Konzentrations- und Übergangswärmesprüngen. Aber genau das gleiche Bild zeigt sich in der Kritik. Punkt auf der Kurve F. S. der ersten Art . Die Ähnlichkeit ist sehr tief. Nahezu kritisch Punkt lässt sich der Aggregatzustand durch eine Größe charakterisieren, die die Rolle eines Ordnungsparameters spielt. Zum Beispiel bei einem kritischen Punkte auf der Flüssigkeit-Dampf-Gleichgewichtskurve sind die Dichteabweichung vom Mittelwert. Beim Bewegen entlang der kritischen isochore Von der Seite hoher Temperaturen ist das Gas homogen und dieser Wert ist gleich Null. Unter kritische Temperatur der Stoff trennt sich in zwei Phasen, in denen jeweils die Abweichung der Dichte von der kritischen ungleich Null ist. Da sich die Phasen nahe dem Punkt der Phase-II-Phasen wenig voneinander unterscheiden, ist es möglich, große Kerne einer Phase in einer anderen zu bilden. (Schwankungen), auf die gleiche Weise wie nahe kritisch. Punkte. Damit ist viel Kritik verbunden. Phänomene während F. p. der zweiten Art: eine unendliche Zunahme der magnetischen Suszeptibilität von Ferromagneten und der Dielektrizitätskonstante von Ferroelektrika (ein Analogon ist die Zunahme der Kompressibilität nahe dem kritischen Punkt von Flüssigkeitsdampf), eine unendliche Zunahme der Wärmekapazität , anomale Streuung elektromagnetischer Wellen [von Licht in Flüssigkeit und Dampf , Röntgenstrahlen in Festkörpern], Neutronen in Ferromagneten. Auch dynamische Phänomene ändern sich deutlich, was mit einer sehr langsamen Aufnahme der resultierenden Schwankungen einhergeht. Zum Beispiel in der Nähe des kritischen Punkt Flüssigkeit-Dampf verengt die Rayleigh-Linie Lichtstreuung, nahe Curie-Punkte Ferromagnete u Neel-Punkte Antiferromagneten verlangsamt sich die Spindiffusion usw. Vgl. Schwankungsgröße (Korrelationsradius) R nimmt zu, wenn wir uns dem Punkt zweiter Art F. p nähern, und wird an diesem Punkt unendlich groß.

Moderne Fortschritte in der Theorie funktionaler Phänomene zweiter Art und kritischer Phänomene basieren auf der Ähnlichkeitshypothese. Es wird davon ausgegangen, dass, wenn wir akzeptieren R pro Längeneinheit und vgl. der Wert des Ordnungsparameters der Zelle mit der Kante R- pro Maßeinheit des Ordnungsparameters, dann hängt das gesamte Schwankungsmuster weder von der Nähe zum Übergangspunkt noch von der konkreten Substanz ab. Alles thermodynamisch. Größen sind Potenzfunktionen R. Die Exponenten werden kritische Dimensionen (Indizes) genannt. Sie hängen nicht von einem bestimmten Stoff ab und werden nur durch die Art des Auftragsparameters bestimmt. Beispielsweise unterscheiden sich die Abmessungen am Curie-Punkt eines isotropen Materials, dessen Ordnungsparameter der Magnetisierungsvektor ist, von den Abmessungen im kritischen Bereich. Punkt Flüssigkeit - Dampf oder am Curie-Punkt eines einachsigen Magneten, wobei der Ordnungsparameter ein Skalarwert ist.

In der Nähe des Übergangspunkts Staatsgleichung hat eine charakteristische Rechtsform entsprechenden Staaten. Zum Beispiel in der Nähe des kritischen Punkt Flüssigkeit-Dampf-Verhältnis (p - p k) / (p f - p g) hängt nur von (p - p c) / (p f - p g) ab * KT(hier ist p die Dichte, p k die kritische Dichte, p f die Dichte der Flüssigkeit, p g die Dichte des Gases, R - Druck, p zu - kritischer Druck, K T - isotherm Kompressibilität), außerdem ist die Art der Abhängigkeit bei geeigneter Skalenwahl für alle Flüssigkeiten gleich .

In der Theorie wurden große Fortschritte gemacht kritische Kalkulation. Dimensionen und Zustandsgleichungen stimmen gut mit experimentellen Daten überein.

Die Weiterentwicklung der Theorie von FPs zweiter Art ist verbunden mit der Anwendung der Methoden der Quantenfeldtheorie, insbesondere der Methode der Renormierungsgruppe. Dieses Verfahren erlaubt im Prinzip, kritische Indizes mit jeder erforderlichen Genauigkeit zu finden.

Die Einteilung der Phasenübergänge in zwei Arten ist etwas willkürlich, da es Phasenübergänge der ersten Art mit kleinen Sprüngen in der Wärmekapazität und anderen Größen und kleine Übergangswärmen mit stark ausgeprägten Schwankungen gibt. F. p. ist ein kollektives Phänomen, das bei genau definierten Temperaturwerten und anderen Größen nur in einem System auftritt, das im Grenzfall eine beliebig große Anzahl von Teilchen hat.

Lit.: Landau L. D., Lifshits E. M., Statistical Physics, 2. Aufl., M., 1964 (Theoretical Physics, Bd. 5); Landau L. D., Akhiezer A. I., Lifshits E. M., Kurs für allgemeine Physik. Mechanik und Molekularphysik, 2. Aufl., M., 1969; Bpayt R., Phasenübergänge, übers. aus dem Englischen, M., 1967;Fisher M., Die Natur des kritischen Zustands, übers. aus Englisch, M., 1968; Stanley G., Phasenübergänge und kritische Phänomene, übers. aus Englisch, M., 1973; Anisimov M. A., Studien zu kritischen Phänomenen in Flüssigkeiten, „Advances in physical sciences“, 1974, v. 114, c. 2; Patashinsky A. 3., Pokrovsky V. L., Fluktuationstheorie der Phasenübergänge, M., 1975; Quantenfeldtheorie und Physik der Phasenübergänge, übers. aus Englisch, M., 1975 (News of Fundamental Physics, Heft 6); Wilson K., Kogut J., Renormalization group and s-expansion, übers. aus Englisch, M., 1975 (News of Fundamental Physics, v. 5).

BEIM. L. Pokrowski.

Nach den Materialien des BSE.

Belousova Julia, Koban Anastasia

Die Arbeit beschreibt die Phasenübergänge von Materie. Phasengleichgewicht. Schmelzen, Kristallisation, Verdampfung, Kondensation.

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Forschungsarbeit in der Physik: Phasenübergänge der Materie

Plan: Objektbereich und Arbeitsgegenstand Relevanz der Studie Zweck und Ziele der Studie Kennenlernen der ersten Informationen zu Phasenübergängen Arten von Phasenübergängen Phasengleichgewicht Vorgänge bei Phasenübergängen Fazit

Zielbereich Physik ist die Wissenschaft vom Universum, die es uns ermöglicht, den Prozess um uns herum in all seinen Feinheiten zu betrachten und zu erkennen. „Das Schönste, was wir erleben können, ist das Unbegreifliche. Es ist die Quelle wahrer Kunst und Wissenschaft.“ Albert Einstein.

Untersuchungsgegenstand Als Untersuchungsgegenstand in diesem Bereich betrachten wir den Vorgang des Phasenübergangs von Materie.

Relevanz des Themas Dieses Thema ist interessant und relevant, weil in den letzten Jahren die weit verbreitete Verwendung von Phasenübergängen in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik bekannt geworden ist. Phasenübergänge können auf die praktischste Art der Anwendung physikalischer Effekte zurückgeführt werden, da Phasenübergänge: Häufig in Patenten und praktischen Lösungen verwendet werden.

Zweck der Arbeit: Bekanntschaft mit den Grundideen der modernen Wissenschaft über verschiedene Arten des Phasengleichgewichts und über die physikalischen Eigenschaften der Prozesse der Übergänge von Materie von einer Phase in eine andere.

Aufgaben: Betrachtung des Konzepts des Phasenübergangs Identifizierung der Phasenübergangsarten und Hauptmerkmale Betrachtung des Phasengleichgewichts Ermittlung verschiedener Prozesse des Phasenübergangs

Das Konzept des Phasenübergangs Phasenübergang, Phasenumwandlung im weitesten Sinne - der Übergang eines Stoffes von einer Phase in eine andere, wenn sich die äußeren Bedingungen ändern - Temperatur, Druck, magnetische und elektrische Felder usw. Im engeren Sinne handelt es sich um eine abrupte Änderung physikalischer Eigenschaften bei kontinuierlicher Änderung äußerer Parameter.

Arten von Phasenübergängen Phasenübergänge werden unterteilt in die Typen I und II. Änderungen des Aggregatzustands eines Stoffes werden als Phasenübergänge erster Art bezeichnet, wenn: 1) Die Temperatur während des gesamten Übergangs konstant ist. 2) Die Lautstärke des Systems ändert sich. 3) Die Entropie des Systems ändert sich. Phasenübergänge zweiter Art sind Phasenübergänge, bei denen sich die ersten Ableitungen thermodynamischer Potentiale nach Druck und Temperatur kontinuierlich ändern, während ihre zweiten Ableitungen einen Sprung erfahren. Daraus folgt insbesondere, dass sich Energie und Volumen eines Stoffes bei einem Phasenübergang zweiter Ordnung nicht ändern, wohl aber seine Wärmekapazität, Kompressibilität, verschiedene Suszeptibilitäten etc.

Phasenübergangsdiagramm, das die Grenzen erster und zweiter Ordnung der flüssigen und gasförmigen Phase darstellt

Phasengleichgewicht Die Bedingung des Phasengleichgewichts ergibt sich aus den Sätzen der Thermodynamik. Wenn sich ein System im Gleichgewicht befindet, sind die Temperaturen und Drücke aller seiner Phasen gleich. Wenn sie konstant gehalten werden, kann das thermodynamische Potential des Systems nur abnehmen. Im Gleichgewicht nimmt es einen minimalen Wert an. Sei m 1 die Masse der ersten und m 2 die Masse der zweiten Phase.  1 und  2 spezifische thermodynamische Potentiale der Materie in diesen Phasen. Das thermodynamische Potenzial des gesamten Systems wird dargestellt als Ф \u003d m 1  1 + m 2  2. Wenn  1   2, dann geht jede Umwandlung von Phase 1 in Phase 2 mit einer Abnahme von Ф einher auftreten, bis die gesamte Phase 1 in eine stabilere Phase 2 übergeht. Dann wird das System einphasig und sein thermodynamisches Potential erreicht den Minimalwert m  2 . Im Gegensatz dazu, wenn  1   2, dann wird Phase 2 schließlich zu Phase 1. Nur unter der Bedingung  1 (P, T) =  2 (P, T) (1) Die Phasen befinden sich im Gleichgewicht mit gegenseitig. Die Bedingung für das Phasengleichgewicht ist also die Gleichheit ihrer spezifischen thermodynamischen Potentiale.

Diagramm des Phasengleichgewichts von Kohlendioxid:

Bedingung (1) bedeutet, dass bei beliebigen Phasenumwandlungen der Wert des spezifischen thermodynamischen Potentials unverändert bleibt. Bei allen Aggregatszuständen ändert sich also auch immer kontinuierlich ihr spezifisches thermodynamisches Potential

Vorgänge bei Phasenübergängen Betrachten Sie: Verdampfung und Kondensation Schmelzen und Kristallisation Sieden und Überhitzen einer Flüssigkeit

Verdampfung und Kondensation Der Übergang eines flüssigen in einen gasförmigen Zustand wird als Verdampfung bezeichnet, der Übergang eines Festkörpers in einen gasförmigen Zustand als Sublimation. Die Wärme, die einer Masseneinheit eines Stoffes zugeführt werden muss, um ihn bei der gleichen Temperatur, die der Stoff vor der Verdampfung hatte, in Dampf umzuwandeln, wird als spezifische Verdampfungswärme bezeichnet. Beim Kondensieren wird die beim Verdampfen aufgewendete Wärme zurückgegeben: Die beim Kondensieren entstehende Flüssigkeit erwärmt sich. Ein Dampf, der mit seiner Flüssigkeit im Gleichgewicht steht, wird als gesättigt bezeichnet. Der Druck, bei dem ein Gleichgewicht herrscht, wird als Sättigungsdampfdruck bezeichnet.

Verdunstung einiger Flüssigkeiten Verdunstung einiger Arten von Flüssigkeiten im Diagramm

Schmelzen und Kristallisation Der Übergang eines kristallinen Körpers in einen flüssigen Zustand erfolgt bei einer für jeden Stoff bestimmten Temperatur und erfordert den Aufwand einer bestimmten Wärmemenge, die sogenannte Schmelzwärme. Der Schmelzpunkt hängt vom Druck ab. Der Übergang vom kristallinen in den flüssigen Zustand erfolgt also unter ganz bestimmten Bedingungen, die durch Drücke und Temperaturen gekennzeichnet sind. Der Satz dieser Werte entspricht der Kurve im Diagramm (p, T), die allgemein als Schmelzkurve bezeichnet wird

Der umgekehrte Schmelzprozess der Kristallisation läuft wie folgt ab. Wenn die Flüssigkeit auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der die feste und die flüssige Phase bei einem bestimmten Druck im Gleichgewicht sein können (d. h. auf die gleiche Temperatur, bei der das Schmelzen stattgefunden hat), beginnen Kristalle gleichzeitig um die sogenannten Keime oder Kristallisationszentren zu wachsen . Immer mehr wachsend, verschmelzen einzelne Kristalle schließlich miteinander und bilden einen polykristallinen Festkörper. Der Kristallisationsprozess geht mit der Abgabe der gleichen Wärmemenge einher, die beim Schmelzen aufgenommen wird.

Schmelzen

Diagramm: Schmelzen - Kristallisation

Sieden und Überhitzen einer Flüssigkeit Wenn die Flüssigkeit im Gefäß bei konstantem Außendruck von der freien Flüssigkeitsoberfläche erhitzt wird. Diesen Verdampfungsprozess nennt man Verdunstung. Beim Erreichen einer bestimmten Temperatur, die als Siedepunkt bezeichnet wird, beginnt die Dampfbildung nicht nur an der freien Oberfläche, sondern Dampfblasen wachsen und steigen an die Oberfläche, wobei sie die Flüssigkeit selbst mit sich ziehen. Der Verdampfungsprozess wird turbulent. Dieses Phänomen wird als Sieden bezeichnet. Überhitztes Wasser kann beispielsweise in einem glattwandigen Quarzkolben gewonnen werden. Spülen Sie den Kolben zuerst gründlich mit Schwefel-, Salpeter- oder einer anderen Säure und dann mit destilliertem Wasser. In den gewaschenen Kolben wird destilliertes Wasser gegossen, aus dem die darin gelöste Luft durch längeres Kochen entfernt wird. Danach kann das Wasser im Kolben auf einem Gasbrenner auf eine Temperatur weit über dem Siedepunkt erhitzt werden, ohne dass es siedet, sondern nur intensiv an der freien Oberfläche verdunstet. Nur gelegentlich bildet sich am Boden des Kolbens eine Dampfblase, die schnell anwächst, sich vom Boden löst und an die Oberfläche der Flüssigkeit aufsteigt und deren Ausmaße beim Anheben stark zunehmen. Dann bleibt das Wasser lange ruhig. Wenn ein gasförmiger Keim in ein solches Wasser eingeführt wird, wird beispielsweise eine Prise Tee geworfen, dann kocht es heftig und seine Temperatur sinkt schnell auf den Siedepunkt. Dieses wirkungsvolle Erlebnis hat den Charakter einer Explosion.

Siedewassertemperatur beim Blasensieden

Fazit Diese Arbeit ermöglichte es, mehr über die Prozesse zu erfahren, die beim Übergang von einem Aggregatzustand in einen anderen ablaufen, welche Eigenschaften die einzelnen Phasen und Zustände haben. Wenn wir die Prozesse um uns herum sehen, können wir leicht sagen, wie es passiert, wenn wir nur die grundlegende Theorie kennen. Daher hilft uns die Physik, die meisten Gesetze der Naturwissenschaft zu lernen, die uns in Zukunft helfen werden.

2. Phasenübergänge erster und zweiter Art………………………..4

3. Ideales Gas …………………………………………………………….7

4. Echtes Gas……………………………………………………………..8

5. Molekularkinetische Theorie kritischer Phänomene….….9

6. Suprafluidität…………………………………………………………..11

7. Supraleitung…………………………………………………..13

7.1 Entdeckung der Supraleitung………………….…...13

7.2 Elektron-Phonon-Wechselwirkung……………..14

7.3 Supraleiter erster und zweiter Art………...16

7.4 Rezept zur Herstellung eines Supraleiters…………….17

7.5 Sicherheitsvorkehrungen…………………………………….18

7.6 Der Meisner-Effekt…………………………………………………………………………20

8. Fazit ………………………….……………………….22

9. Referenzen……………………………………………….25

1. Einleitung.

Phasen werden als homogene unterschiedliche Teile physikalisch-chemischer Systeme bezeichnet. Ein Stoff ist homogen, wenn alle Parameter des Zustands des Stoffes in allen seinen Volumina, deren Abmessungen groß sind im Vergleich zu den interatomaren Zuständen, gleich sind. Gemische verschiedener Gase bilden immer dann eine Phase, wenn sie im gesamten Volumen in gleicher Konzentration vorliegen.

Derselbe Stoff kann sich je nach äußeren Bedingungen in einem von drei Aggregatzuständen befinden - flüssig, fest oder gasförmig. Je nach äußeren Bedingungen kann es in einer Phase oder in mehreren Phasen gleichzeitig sein. In der uns umgebenden Natur beobachten wir besonders häufig Phasenübergänge von Wasser. Zum Beispiel: Verdunstung, Kondensation. Es gibt Druck- und Temperaturbedingungen, unter denen sich der Stoff in verschiedenen Phasen im Gleichgewicht befindet. Wenn beispielsweise ein Gas im Phasengleichgewicht verflüssigt wird, kann das Volumen beliebig sein, und die Übergangstemperatur hängt vom Sättigungsdampfdruck ab. Die Temperaturen, bei denen Übergänge von einer Phase in eine andere stattfinden, werden Übergangstemperaturen genannt. Sie hängen vom Druck ab, wenn auch in unterschiedlichem Maße: Der Schmelzpunkt ist schwächer, die Verdampfungs- und Sublimationstemperatur höher. Bei normalem und konstantem Druck findet der Übergang bei einer bestimmten Temperatur statt, und hier finden Schmelzen, Sieden und Sublimation (oder Sublimation) statt. Unter Sublimation versteht man den Übergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Zustand, der beispielsweise in den Hüllen von Kometenschweifen beobachtet werden kann. Wenn ein Komet weit von der Sonne entfernt ist, konzentriert sich fast seine gesamte Masse in seinem Kern, der 10-12 Kilometer misst. Der Kern, umgeben von einer kleinen Gashülle, ist der sogenannte Kopf eines Kometen. Bei Annäherung an die Sonne beginnen sich Kern und Schalen des Kometen zu erwärmen, die Wahrscheinlichkeit der Sublimation steigt und die Desublimation nimmt ab. Die aus dem Kometenkern entweichenden Gase nehmen feste Partikel mit, der Kometenkopf nimmt an Volumen zu und wird in seiner Zusammensetzung zu Gas und Staub.

2. Phasenübergänge erster und zweiter Art.

Phasenübergänge sind von mehreren Arten. Änderungen der Aggregatzustände eines Stoffes werden als Phasenübergänge erster Ordnung bezeichnet, wenn:

1) Die Temperatur ist während des gesamten Übergangs konstant.

2) Die Lautstärke des Systems ändert sich.

3) Die Entropie des Systems ändert sich.

Damit ein solcher Phasenübergang eintritt, ist es erforderlich, dass eine gegebene Stoffmasse eine bestimmte Wärmemenge umhüllt, die der latenten Umwandlungswärme entspricht. Tatsächlich muss beim Übergang der kondensierten Phase in eine Phase mit geringerer Dichte eine bestimmte Energiemenge in Form von Wärme zugeführt werden, die dazu dient, das Kristallgitter (beim Schmelzen) zu zerstören oder flüssige Moleküle von jedem zu entfernen andere (während der Verdampfung). Während der Umwandlung geht latente Wärme in die Umwandlung von Kohäsionskräften über, die Intensität der thermischen Bewegung ändert sich nicht, infolgedessen bleibt die Temperatur konstant. Bei einem solchen Übergang steigt der Grad der Unordnung und damit die Entropie. Wenn der Prozess in die entgegengesetzte Richtung geht, wird latente Wärme freigesetzt. Zu den Phasenübergängen erster Art gehören: die Umwandlung eines Feststoffs in eine Flüssigkeit (Schmelzen) und der umgekehrte Prozess (Kristallisation), Flüssigkeit in Dampf (Verdampfen, Sieden). Eine kristalline Modifikation - zu einer anderen (polymorphe Transformationen). Phasenübergänge der zweiten Art umfassen: den Übergang eines Normalleiters in einen supraleitenden Zustand, Helium-1 in supraflüssiges Helium-2, einen Ferromagneten in einen Paramagneten. Metalle wie Eisen, Kobalt, Nickel und Gadolinium zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, stark magnetisiert zu werden und einen Magnetisierungszustand über lange Zeit aufrechtzuerhalten. Sie werden Ferromagnete genannt. Die meisten Metalle (Alkali- und Erdalkalimetalle und ein erheblicher Teil der Übergangsmetalle) sind schwach magnetisiert und behalten diesen Zustand außerhalb eines Magnetfelds nicht bei – dies sind Paramagnete. Phasenübergänge zweiter, dritter usw. Art gehören zur Ordnung derjenigen Ableitungen des thermodynamischen Potentials ∂f, die am Übergangspunkt endliche Messungen erfahren Eine solche Einteilung von Phasenumwandlungen gehört zur Arbeit des theoretischen Physikers Paul Ernst (1880-1933). Bei einem Phasenübergang zweiter Ordnung erfahren die Ableitungen zweiter Ordnung also Sprünge am Übergangspunkt: Wärmekapazität bei konstantem Druck Cp \u003d -T (∂f 2 / ∂T 2), Kompressibilität β \u003d - (1 / V 0) (∂ 2 f / ∂p 2), thermischer Ausdehnungskoeffizient α=(1/V 0)(∂ 2 f/∂Tp), während die ersten Ableitungen stetig bleiben. Das heißt, es findet keine Wärmeabgabe (Aufnahme) und keine Änderung des spezifischen Volumens (φ - thermodynamisches Potential) statt.

Der Zustand des Phasengleichgewichts ist durch einen bestimmten Zusammenhang zwischen Phasenumwandlungstemperatur und Druck gekennzeichnet. Numerisch ist diese Abhängigkeit für Phasenübergänge durch die Clausius-Clapeyron-Gleichung gegeben: Dp/DT=q/TDV. Die Forschung bei tiefen Temperaturen ist ein sehr wichtiger Zweig der Physik. Tatsache ist, dass es auf diese Weise möglich ist, Störungen im Zusammenhang mit chaotischer thermischer Bewegung zu beseitigen und Phänomene in „reiner“ Form zu untersuchen. Dies ist besonders wichtig bei der Untersuchung von Quantenregularitäten. Üblicherweise wird eine physikalische Größe aufgrund chaotischer thermischer Bewegung über eine Vielzahl ihrer unterschiedlichen Werte gemittelt und Quantensprünge „verschmiert“.

Tieftemperaturen (kryogene Temperaturen), in der Physik und Kryotechnik liegt der Temperaturbereich unter 120°K (0°C=273°K); die Arbeiten von Carnot (er arbeitete an einer Wärmekraftmaschine) und Clausius legten den Grundstein für die Erforschung der Eigenschaften von Gasen und Dämpfen oder der technischen Thermodynamik. 1850 bemerkte Clausius, dass gesättigter Wasserdampf bei der Expansion teilweise kondensiert und bei der Kompression überhitzt wird. Renu leistete einen besonderen Beitrag zur Entwicklung dieser wissenschaftlichen Disziplin. Das Eigenvolumen von Gasmolekülen bei Raumtemperatur beträgt etwa ein Tausendstel des vom Gas eingenommenen Volumens. Außerdem werden Moleküle in Abständen voneinander angezogen, die größer sind als die, von denen aus ihre Abstoßung beginnt.

Gleich den spezifischen Werten der Entropie, genommen mit entgegengesetztem Vorzeichen, und Volumen: (4.30) Wenn an Punkten, die das Phasengleichgewicht erfüllen: , die ersten Ableitungen des chemischen Potentials für verschiedene Phasen einen Sprung erfahren: , (4.31 ) sagen sie, dass das thermodynamische System einen Phasenübergang 1. Art erfährt. Phasenübergänge der ersten Art sind durch das Vorhandensein latenter Wärme des Phasenübergangs gekennzeichnet, ...

Gegen Überheben, Null- und Maximalschutz. - das Anhalten der Schiffe an Zwischenpunkten des Rumpfes vorsehen. Lichtsignalisierung über die Betriebszustände der Hebeanlage im Gebäude der Hebemaschine, vom Betreiber der Ladeeinrichtung, vom Disponenten. Moderne regelbare Gleichstrom-Elektroantriebe für automatisierte Hebeanlagen basieren auf Gleichstrommotoren ...

44,5 cm, c = 12 cm, a = 20 cm, l = 8 cm Die Kraftwirkung des Magnetsystems wurde durch einen Wert abgeschätzt, der gleich dem Produkt aus dem Feldmodul H und seinem Gradienten war. Es zeigte sich, dass die Verteilung des Feldmoduls H des betrachteten Magnetsystems durch eine ausgeprägte Winkelabhängigkeit gekennzeichnet ist. Daher wurde die Berechnung des Feldmoduls H mit einem Schritt von 1° für Punkte durchgeführt, die auf zwei verschiedenen Kreisbögen für alle...

Das System besteht darin, sein „Phasenporträt“ zu erhalten (Volkenshtein, 1978). Es ermöglicht, die stationären Zustände des Systems und die Art seiner Dynamik bei Abweichungen davon aufzudecken. Die Methode der Phasenporträts wird im Ingenieurwesen zur Analyse und Vorhersage des Verhaltens physikalischer Systeme unterschiedlicher Komplexität und in der mathematischen Ökologie zur Analyse der Populationsdynamik verwendet (Volkenshtein, 1978; Svirezhev...

Konzept Phase in der Thermodynamik werden in einem weiteren Sinne betrachtet als Aggregatzustände. Laut, unter Phase in der Thermodynamik verstehen sie den thermodynamischen Gleichgewichtszustand eines Stoffes, der sich in physikalischen Eigenschaften von anderen möglichen Gleichgewichtszuständen desselben Stoffes unterscheidet. Manchmal wird ein metastabiler Nichtgleichgewichtszustand einer Substanz auch als Phase bezeichnet, aber metastabil. Die Phasen einer Substanz können sich in der Art der Bewegung von Strukturpartikeln und dem Vorhandensein oder Fehlen einer geordneten Struktur unterscheiden. Verschiedene kristalline Phasen können sich in der Art der Kristallstruktur, der elektrischen Leitfähigkeit, den elektrischen und magnetischen Eigenschaften usw. voneinander unterscheiden. Flüssige Phasen unterscheiden sich in der Konzentration von Komponenten, dem Vorhandensein oder Fehlen von Supraleitung usw.

Der Übergang eines Stoffes von einer Phase in eine andere wird als bezeichnet Phasenübergang . Zu den Phasenübergängen gehören die Phänomene Verdampfen und Schmelzen, Kondensation und Kristallisation etc. In einem Zweiphasensystem befinden sich die Phasen bei gleicher Temperatur im Gleichgewicht. Mit zunehmendem Volumen wird ein Teil der Flüssigkeit zu Dampf, aber gleichzeitig muss eine bestimmte Menge Wärme von außen übertragen werden, um die Temperatur unverändert zu halten. Um den Übergang von der flüssigen Phase in das gasförmige System durchzuführen, ist es daher erforderlich, Wärme zu übertragen, ohne die Temperatur des Systems zu ändern. Diese Wärme wird verwendet, um den Phasenzustand der Materie zu ändern und heißt Wärme der Phasenumwandlung oder latente Übergangswärme . Mit zunehmender Temperatur nimmt die latente Übergangswärme einer festen Materiemasse ab und ist bei der kritischen Temperatur gleich Null. Zur Charakterisierung des Phasenübergangs wird die spezifische Wärme des Phasenübergangs verwendet. Spezifische Phasenübergangswärme ist die Menge an latenter Wärme pro Masseneinheit eines Stoffes.

Phasenübergänge mit Aufnahme oder Abgabe latenter Übergangswärme genannt Phasenübergänge erster Ordnung . In diesem Fall ändern sich die innere Energie und Dichte abrupt. Beim Übergang von einem geordneteren Zustand in einen weniger geordneten Zustand nimmt die Entropie zu. Die Tabelle listet Phasenübergänge erster Ordnung und ihre Hauptmerkmale auf.

Tisch. Phasenübergänge des ersten Rades und ihre wichtigsten Eigenschaften .

Phasenübergang	Übergangsrichtung	Latente Übergangswärme	Entropieänderung während eines Phasenübergangs
Verdampfung	Flüssigkeit  Dampf	L P ist die spezifische Verdampfungswärme, t- Masse der in Dampf umgewandelten Flüssigkeit.	Die Entropie steigt
Kondensation	Dampf  Flüssigkeit	, wo L KOH ist der Wert der spezifischen Kondensationswärme, t- Masse von Dampf in Flüssigkeit umgewandelt	Die Entropie nimmt ab ΔS kr< 0
Schmelzen	Fest  flüssig	, wo L PL ist die spezifische Schmelzwärme, t- in Flüssigkeit umgewandelte Masse eines Festkörpers	Die Entropie steigt ΔS pl > 0
Kristallisation	flüssig  fest	, wo L KR t- die Masse einer Flüssigkeit, die in einen festen Körper umgewandelt wird - einen Kristall	Die Entropie nimmt ab ΔS kr< 0
Sublimation (oder Sublimation)	Dauerhaft  Dampf	, wo L Mit ist die spezifische Sublimationswärme, t- in Dampf umgewandelte Masse eines Festkörpers	Die Entropie steigt
Desublimation (Kristallisation unter Umgehung der flüssigen Phase)	Dampf  Fest (unter Umgehung der flüssigen Phase)	, wo L KR ist der Wert der spezifischen Kristallisationswärme, t- Dampfmasse, die auf einen Festkörper - einen Kristall - übertragen wird	Die Entropie nimmt ab ΔS kr< 0

Mit bei Phasenübergängen erster Ordnung besteht ein Zusammenhang zwischen dem Druck, bei dem sich das Zweiphasensystem im Gleichgewicht befindet, und der Temperatur. Diese Beziehung wird beschrieben . Betrachten Sie die Herleitung dieser Gleichung für abgeschlossene Systeme. Wenn die Anzahl der Teilchen im System konstant ist, wird die Änderung der inneren Energie gemäß dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik durch den Ausdruck bestimmt: . Das Gleichgewicht zwischen den Phasen kommt unter der Bedingung, dass T 1 \u003d T 2 und P 1 \u003d P 2. Betrachten Sie einen unendlich kleinen reversiblen Carnot-Zyklus (Abb. 6.8), dessen Isothermen dem Zustand eines Zweiphasensystems bei den Temperaturen T und dT entsprechen. Da sich die Zustandsparameter in diesem Fall unendlich wenig ändern, sind die Isothermen und Adiabaten in Abb. 6.8 als Geraden dargestellt. Der Druck in einem solchen Zyklus ändert sich um dP . Die Arbeit des Systems pro Zyklus wird durch die Formel bestimmt:
. Nehmen wir an, der Kreislauf sei für ein System implementiert, dessen Materiemasse gleich eins ist. Die Effizienz eines solchen elementaren Carnot-Kreises kann durch die Formeln bestimmt werden:
oder
, wo L P ist die spezifische Verdampfungswärme. Wenn wir die rechten Teile dieser Gleichungen gleichsetzen und den Ausdruck von Arbeit durch Druck und Volumen ersetzen, erhalten wir:
. Wir korrelieren die Druckänderung mit der Temperaturänderung und erhalten:

(6.23)

Gleichung (6.23) wird aufgerufen Clausius-Clapeyron-Gleichung . Wenn wir diese Gleichung analysieren, können wir schließen, dass mit zunehmender Temperatur der Druck zunimmt. Dies folgt daraus, dass
, was bedeutet
.

Die Clausius-Clapeyron-Gleichung gilt nicht nur für den Flüssigkeit-Dampf-Übergang. Sie gilt für alle Übergänge der ersten Art. Allgemein lässt sich das so schreiben:

(6.24)

Mit der Clapeyron-Clausius-Gleichung lässt sich das Zustandsdiagramm des Systems in den P,T-Koordinaten darstellen (Abb. 6.9). In diesem Diagramm ist Kurve 1 die Sublimationskurve. Es entspricht dem Gleichgewichtszustand zweier Phasen: fest und dampfförmig. Die Punkte links von dieser Kurve charakterisieren den einphasigen Festkörper. Die Punkte rechts charakterisieren den Dampfzustand. Kurve 2 ist die Schmelzkurve. Es entspricht dem Gleichgewichtszustand zweier Phasen: fest und flüssig. Die Punkte links von dieser Kurve charakterisieren den einphasigen Festkörper. Die Punkte rechts davon bis zur Kurve 3 charakterisieren den flüssigen Zustand. Kurve 3 ist die Verdampfungskurve. Es entspricht dem Gleichgewichtszustand zweier Phasen: Flüssigkeit und Dampf. Die links von dieser Kurve liegenden Punkte charakterisieren den einphasigen flüssigen Zustand. Die Punkte rechts charakterisieren den Dampfzustand. Kurve 3 ist im Gegensatz zu den Kurven 1 und 2 beidseitig begrenzt. Einerseits - ein Tripelpunkt Tr, andererseits - der kritische Punkt K (Abb. 6.9). dreifacher Punkt beschreibt den Gleichgewichtszustand von drei Phasen gleichzeitig: fest, flüssig und dampfförmig.