VAIHE SIIRTYMÄ, vaihemuutos, laajassa merkityksessä - aineen siirtyminen yhdestä vaiheet toiseen, kun ulkoiset olosuhteet muuttuvat - lämpötila, paine, magneettinen ja sähköinen. kentät jne.; suppeassa merkityksessä - äkillinen fyysinen muutos. ominaisuudet jatkuvan ulkoisten parametrien muutoksen kanssa. Ero termin "F. p." kahden tulkinnan välillä. nähdään seuraavasta esimerkistä. Suppeassa merkityksessä aineen siirtyminen kaasufaasista plasmafaasiin (vrt. plasma) ei ole F. p., koska ionisaatio kaasua esiintyy vähitellen, mutta laajassa merkityksessä se on F. p. Tässä artikkelissa termi "F. p." suppeassa merkityksessä.

Lämpötilan, paineen tai k.-l:n arvo. toinen fyysinen Suureita, joissa vaihemuutos tapahtuu, kutsutaan siirtymäpisteiksi.

F. p.:ita on kahta tyyppiä. Ensimmäisen tyypin F. p.:n aikana tällaiset termodynaamiset olosuhteet muuttuvat äkillisesti. aineen ominaisuudet, kuten tiheys, aineosien pitoisuus; massayksikössä vapautuu tai imeytyy hyvin määrätty määrä lämpöä, jota kutsutaan. siirtymälämpö. F. p. toisen tyyppisen jonkinlaisen fyysisen. arvo, joka on yhtä suuri kuin nolla siirtymäkohdan toisella puolella, kasvaa vähitellen (nollasta), kun siirryt pois siirtymäpisteestä toiselle puolelle. Tällöin tiheys ja pitoisuudet muuttuvat jatkuvasti, lämpöä ei vapaudu tai imeydy.

F. p. on luonnossa laajalle levinnyt ilmiö. Ensimmäisen tyyppisiä ääniilmiöitä ovat mm. haihtuminen ja kondensoituminen, sulaminen ja jähmettyminen, sublimoituminen ja tiivistyminen kiinteäksi faasiksi sekä tietyt rakenteelliset muutokset kiinteissä aineissa. koulutus martensiitti rauta-hiili-seoksessa. AT antiferromagneetit yhdellä magneettisten alihilojen magnetointiakselilla Ensimmäisen tyyppinen vaihemuutos tapahtuu ulkoisessa magneettikentässä, joka on suunnattu pitkin akselia. Tietyllä kentän arvolla magneettisten alihilojen momentteja kierretään kohtisuoraan kentän suuntaan nähden (alipillan "kääntyminen" tapahtuu). Puhtaissa suprajohteissa magneettikenttä indusoi ensimmäisen tyyppisen vaihesiirtymän suprajohtavuudesta normaalitilaan. .

klo absoluuttinen nolla lämpötila ja kiinteä tilavuus, pienimmän energiaarvon omaava faasi on termodynaamisesti tasapainossa. Ensimmäisen tyyppinen vaihemuutos tapahtuu tässä tapauksessa niissä paineen ja ulkoisten kenttien arvoissa, joissa kahden eri vaiheen energioita verrataan. Jos et korjaa kehon tilavuutta V, ja paine R, sitten termodynaamisessa tilassa. tasapaino, minimi on Gibbsin energia F (tai G), ja vaihetasapainon siirtymäpisteessä on vaiheita, joilla on samat arvot F .

Monet aineet alhaisissa paineissa kiteytyvät löyhästi pakatuiksi rakenteiksi. Esimerkiksi kiteinen vety koostuu molekyyleistä, jotka sijaitsevat suhteellisen suurilla etäisyyksillä toisistaan; rakenne grafiitti on sarja kaukana toisistaan ​​olevia hiiliatomikerroksia. Riittävän korkeissa paineissa tällaiset löysät rakenteet vastaavat suuria Gibbsin energian arvoja. Ф:n alemmat arvot näissä olosuhteissa vastaavat tasapainon tiiviisti pakattuja vaiheita. Siksi grafiitti muuttuu korkeissa paineissa timantti, ja molekyylikiteinen. vedyn on mentävä atomiksi (metalliksi). kvantti nesteet 3 He ja 4 He pysyvät nestemäisinä normaalipaineessa alhaisimpiin saavutettuihin lämpötiloihin (T ~ 0,001 K). Syynä tähän on hiukkasten heikko vuorovaikutus ja niiden värähtelyjen suuri amplitudi temp-paxissa lähellä abs. nolla (ns. nollavärähtelyt ). Kuitenkin paineen nousu (jopa 20 atm T = 0 K) johtaa nestemäisen heliumin kiinteytymiseen. Nollasta poikkeavalla temp-paxilla ja annetulla paineella ja lämpötilalla tasapainovaihe on edelleen vaihe, jolla on pienin Gibbs-energia (minimienergia, josta painevoimien työ ja järjestelmään raportoitu lämmön määrä vähennetään) .

F. p. I -lajille on ominaista metastabiilin tasapainoalueen olemassaolo lähellä käyrää F. p. I -tyyppi (esim. neste voidaan lämmittää kiehumispisteen yläpuolelle tai alijäähdyttää jäätymispisteen alapuolelle) . Metastabiilit tilat ovat olemassa melko pitkään, siitä syystä, että uuden faasin muodostuminen pienemmällä F-arvolla (termodynaamisesti edullisempi) alkaa tämän vaiheen ytimien ilmaantumisesta. Φ-arvon vahvistus ytimen muodostumisen aikana on verrannollinen sen tilavuuteen ja häviö on verrannollinen pinta-alaan (arvoon pintaenergia). Tuloksena olevat pienet alkiot lisääntyvät F, ja siksi ne suurella todennäköisyydellä vähenevät ja katoavat. Tietyn kriittisen koon saavuttaneet ytimet kuitenkin kasvavat ja koko aine siirtyy uuteen vaiheeseen. Alkion muodostuminen on kriittistä. koko on erittäin epätodennäköinen prosessi ja sitä esiintyy melko harvoin. Ytimen muodostumisen todennäköisyys on kriittinen. koko kasvaa, jos aine sisältää vieraita makroskooppisia sulkeumia. koot (esim. pölyhiukkaset nesteessä). kiinni Kriittinen piste tasapainofaasien ja pintaenergian välinen ero pienenee, muodostuu helposti suurikokoisia ja omituisia ytimiä, mikä vaikuttaa aineen ominaisuuksiin .

Esimerkkejä F. p. II -lajista - magneettisen momentin ilmaantuminen (jossakin tapauksessa tietyn lämpötilan alapuolella) magneetissa siirtymän paramagneettien aikana - ferromagneetti, antiferromagneettinen järjestys siirtymän paramagneettien aikana - antiferromagneetti, suprajohtavuuden esiintyminen metalleissa ja metalliseoksissa, superfluiditeetin esiintyminen 4 He:ssä ja 3 He:ssä, metalliseosten järjestyminen, aineen spontaanin (spontaaniin) polarisaation ilmaantuminen paraelektrisen siirtymän aikana ferrosähköinen jne.

L. D. Landau(1937) ehdotti yleistä tulkintaa kaikista toisen tyyppisistä PT:istä symmetrian muutospisteinä: siirtymäpisteen yläpuolella järjestelmällä on suurempi symmetria kuin siirtymäkohdan alapuolella. Esimerkiksi magneetissa alkeismagneettisten momenttien suunnan siirtymäpisteen yläpuolella (pyörii) hiukkaset jakautuvat satunnaisesti. Siksi kaikkien pyörien samanaikainen pyöriminen ei muuta fyysistä. järjestelmän ominaisuudet. Siirtymäkohtien alapuolella selkänojat ovat etusijalla. Niiden samanaikainen pyöriminen muuttaa järjestelmän magneettisen momentin suuntaa. Toinen esimerkki: kaksikomponenttisessa lejeeringissä, jonka atomit A ja B sijaitsee yksinkertaisen kuution solmuissa kristallihila, Epäjärjestyneelle tilalle on ominaista atomien L ja B kaoottinen jakautuminen hilapaikkojen yli, joten hilan siirtyminen yhden jakson verran ei muuta sen ominaisuuksia. Siirtymäkohdan alapuolella metalliseosatomit on järjestetty: ...ABAB... Tällaisen hilan siirtyminen jaksolla johtaa kaikkien atomien A korvautumiseen B:llä tai päinvastoin. Järjestyksen muodostumisen seurauksena atomien järjestelyssä hilan symmetria pienenee.

Symmetria itsessään ilmestyy ja katoaa äkillisesti. Epäsymmetriaa kuvaava arvo (järjestysparametri) voi kuitenkin muuttua jatkuvasti. Toisen tyyppiselle vaihesiirrolle järjestysparametri on yhtä suuri kuin nolla siirtymäkohdan yläpuolella ja itse siirtymäpisteessä. Samalla tavalla käyttäytyy esimerkiksi ferromagneetin magneettinen momentti, sähköinen. ferrosähköisen polarisaatio, supernestekomponentin tiheys nesteessä 4 He, atomin havaitsemisen todennäköisyys MUTTA kiteen vastaavassa kohdassa. kaksikomponenttiset metalliseosritilät jne.

Tiheyden, keskittymisen ja siirtymälämmön hyppyjen puuttuminen on ominaista toisen tyypin vaiheelle II. Mutta täsmälleen sama kuva havaitaan kriittisessä. ensimmäisen tyypin käyrän F. p. piste . Samankaltaisuus on erittäin syvä. Lähellä kriittistä pisteessä aineen tilaa voidaan luonnehtia suurella, joka toimii järjestysparametrin roolissa. Esimerkiksi kriittisessä tapauksessa neste-höyry-tasapainokäyrän pisteet ovat tiheyden poikkeama keskiarvosta. Kun liikutaan kriittistä isochore korkeiden lämpötilojen puolelta kaasu on homogeeninen, ja tämä arvo on nolla. Alla kriittinen lämpötila aine erottuu kahteen faasiin, joissa kummassakaan tiheyden poikkeama kriittisestä ei ole nolla. Koska faasit eroavat vähän toisistaan ​​lähellä faasin II vaiheiden pistettä, on mahdollista muodostaa suuria ytimiä yhdestä faasista toiseen. (vaihtelut), samalla tavalla kuin lähes kriittinen. pisteitä. Tähän liittyy monia kritiikkiä. ilmiöt toisen tyypin F. p.:n aikana: ferromagneettien magneettisen herkkyyden ja ferrosähköisten materiaalien dielektrisyysvakion ääretön kasvu (analogi on kokoonpuristuvuuden kasvu lähellä nestehöyryn kriittistä pistettä), lämpökapasiteetin ääretön kasvu , sähkömagneettisten aaltojen epänormaali sironta [valon nesteessä ja höyryssä , Röntgensäde kiinteissä aineissa], neutronit ferromagneeteissa. Myös dynaamiset ilmiöt muuttuvat merkittävästi, mikä liittyy syntyvien vaihteluiden hyvin hitaaseen imeytymiseen. Esimerkiksi lähellä kriittistä pisteen nestehöyry kaventaa Rayleigh-viivaa valon sironta, lähellä Curie pisteet ferromagneetit ja Neel pistettä antiferromagneetteja, spin diffuusio hidastuu jne. Ks. vaihtelukoko (korrelaatiosäde) R kasvaa lähestyessämme toisen lajin F. p. pistettä ja tulee äärettömän suureksi tässä kohdassa.

Toisen tyypin toiminnallisten ilmiöiden ja kriittisten ilmiöiden teorian nykyaikaiset edistysaskeleet perustuvat samankaltaisuushypoteesiin. Oletetaan, että jos hyväksymme R pituusyksikköä kohti, ja vrt. sen solun järjestysparametrin arvo, jossa on reuna R- tilausparametrin mittayksikköä kohden, koko vaihtelukuvio ei riipu siirtymäkohdan läheisyydestä eikä tietystä aineesta. Kaikki termodynaamiset. määrät ovat tehofunktioita R. Eksponentteja kutsutaan kriittisiksi dimensioksi (indekseiksi). Ne eivät ole riippuvaisia ​​tietystä aineesta, ja ne määräytyvät vain tilausparametrin luonteen mukaan. Esimerkiksi isotrooppisen materiaalin Curie-pisteen mitat, jonka järjestysparametri on magnetointivektori, poikkeavat kriittisen materiaalin mitoista. nestepiste - höyry tai yksiakselisen magneetin Curie-pisteessä, jossa järjestysparametri on skalaariarvo.

Lähellä siirtymäkohtaa tilayhtälö on tyypillinen lain muoto vastaavat tilat. Esimerkiksi lähellä kriittistä pisteen neste-höyry-suhde (p - p k) / (p f - p g) riippuu vain (p - p c) / (p f - p g) * K T(tässä p on tiheys, p k on kriittinen tiheys, p f on nesteen tiheys, p g on kaasun tiheys, R - paine, p to - kriittinen paine, K T - isoterminen puristuvuus), lisäksi riippuvuustyyppi sopivalla vaakavaliolla on sama kaikille nesteille .

Teoreettisesti on edistytty paljon kriittinen laskelma. mitat ja tilayhtälöt ovat hyvin sopusoinnussa kokeellisen tiedon kanssa.

Toisen tyyppisten FP:iden teorian jatkokehitys liittyy kvanttikenttäteorian menetelmien, erityisesti renormalisointiryhmän menetelmän, soveltamiseen. Tämä menetelmä mahdollistaa periaatteessa kriittisten indeksien löytämisen vaaditulla tarkkuudella.

Vaihemuutosten jakaminen kahteen tyyppiin on jokseenkin mielivaltaista, koska on ensimmäisen tyyppisiä vaihesiirtymiä, joissa on pieniä hyppyjä lämpökapasiteetissa ja muissa määrissä sekä pieniä siirtymälämpöjä, joissa on erittäin kehittyneitä vaihteluita. F. p. on kollektiivinen ilmiö, joka esiintyy tiukasti määritellyillä lämpötila- ja muilla määrillä vain järjestelmässä, jossa on raja-arvoltaan mielivaltaisen suuri määrä hiukkasia.

Lit.: Landau L. D., Lifshits E. M., Statistical Physics, 2. painos, M., 1964 (Theoretical Physics, osa 5); Landau L. D., Akhiezer A. I., Lifshits E. M., Yleisen fysiikan kurssi. Mekaniikka ja molekyylifysiikka, 2. painos, M., 1969; Bpayt R., Vaihesiirtymät, trans. Englannista, M., 1967;Fisher M., Kriittisen tilan luonne, käänn. Englannista, M., 1968; Stanley G., Vaihesiirtymät ja kriittiset ilmiöt, s. Englannista, M., 1973; Anisimov M. A., Nesteiden kriittisten ilmiöiden tutkimukset, "Fysikaalisten tieteiden edistys", 1974, v. 114, c. 2; Patashinsky A. 3., Pokrovsky V. L., Vaihemuutosten fluktuaatioteoria, M., 1975; Kvanttikenttäteoria ja vaihesiirtymien fysiikka, trans. Englannista, M., 1975 (News of Fundamental physics, numero 6); Wilson K., Kogut J., Renormalisaatioryhmä ja s-laajennus, käänn. Englannista, M., 1975 (News of Fundamental Physics, v. 5).

AT. L. Pokrovsky.

BSE:n materiaalien mukaan.

Belousova Julia, Koban Anastasia

Artikkelissa kuvataan aineen vaihemuutoksia. Vaiheen tasapaino. Sulaminen, kiteytyminen, haihdutus, kondensaatio.

Ladata:

Esikatselu:

Jos haluat käyttää esitysten esikatselua, luo Google-tili (tili) ja kirjaudu sisään: https://accounts.google.com

Diojen kuvatekstit:

Fysiikan tutkimustyö: Aineen faasisiirtymät

Suunnitelma: Kohdealue ja työkohde Tutkimuksen relevanssi Tutkimuksen tarkoitus ja tavoitteet Vaihemuutosten alkutietoihin tutustuminen Vaihemuutostyypit Faasitasapaino Prosessit vaihemuutoksissa Johtopäätös

Tavoitealue Fysiikka on maailmankaikkeuden tiede, jonka avulla voimme tarkastella ja ymmärtää ympärillämme olevaa prosessia sen kaikissa hienouksissa. ”Kaunein asia, jonka voimme kokea, on käsittämätön. Se on todellisen taiteen ja tieteen lähde." Albert Einstein.

Tutkimuskohde Tämän alueen tutkimuskohteena tarkastelemme aineen faasimuutosprosessia.

Aiheen relevanssi Aihe on mielenkiintoinen ja ajankohtainen, koska vaihesiirtymien laaja käyttö tieteen ja teknologian eri aloilla on viime vuosina tunnettu. Fyysisten vaikutusten käytännöllisimmistä soveltamistavoista voidaan katsoa faasisiirtymiä, mikä johtuu siitä, että faasisiirtymiä käytetään: Usein patenteissa ja käytännön ratkaisuissa.

Työn tarkoitus: Tutustuminen modernin tieteen perusajatuksiin erilaisista faasitasapainotyypeistä ja aineen siirtymäprosessien fysikaalisista ominaisuuksista faasista toiseen.

Tehtävät: Vaihesiirtymän käsitteen pohtiminen Vaiheenmuutostyyppien ja pääominaisuuksien tunnistaminen Faasitasapainon huomioiminen Erilaisten faasisiirtymäprosessien muodostaminen

Vaihemuutoksen käsite Faasimuutos, faasimuunnos, laajassa merkityksessä - aineen siirtyminen faasista toiseen, kun ulkoiset olosuhteet muuttuvat - lämpötila, paine, magneetti- ja sähkökentät jne. Suppeassa merkityksessä se on äkillinen muutos fysikaalisissa ominaisuuksissa, joissa ulkoiset parametrit muuttuvat jatkuvasti.

Faasimuutostyypit Faasisiirtymät jaetaan tyyppeihin I ja II. Aineen aggregaatiotilan muutoksia kutsutaan ensimmäisen kertaluvun faasisiirtymäksi, jos: 1) Lämpötila on vakio koko siirtymän ajan. 2) Järjestelmän äänenvoimakkuus muuttuu. 3) Järjestelmän entropia muuttuu. Toisen tyyppiset faasisiirtymät - faasisiirtymät, joissa termodynaamisten potentiaalien ensimmäiset derivaatat paineen ja lämpötilan suhteen muuttuvat jatkuvasti, kun taas niiden toiset derivaatat kokevat hypyn. Tästä seuraa erityisesti, että aineen energia ja tilavuus eivät muutu toisen kertaluvun faasisiirtymän aikana, mutta sen lämpökapasiteetti, puristuvuus, erilaiset herkkyydet jne. muuttuvat.

Vaiheenmuutoskaavio, joka kuvaa neste- ja kaasufaasin ensimmäisen ja toisen kertaluvun rajaa

Faasitasapaino Faasitasapainon ehto voidaan saada termodynamiikan lauseista. Kun järjestelmä on tasapainossa, sen kaikkien faasien lämpötilat ja paineet ovat samat. Jos ne pidetään vakioina, järjestelmän termodynaaminen potentiaali voi vain pienentyä. Tasapainossa se saa minimiarvon. Olkoon m 1 ensimmäisen vaiheen massa ja m 2 toisen vaiheen massa.  1 ja  2 aineen spesifistä termodynaamista potentiaalia näissä faaseissa. Koko järjestelmän termodynaaminen potentiaali on esitetty muodossa Ф = m 1  1 + m 2  2. Jos  1   2, niin vaiheen 1 muuttumiseen vaiheeseen 2 liittyy Ф:n lasku. Tämä muutos tapahtuu kunnes koko vaihe 1 siirtyy vakaampaan vaiheeseen 2. Silloin järjestelmästä tulee yksivaiheinen ja sen termodynaaminen potentiaali saavuttaa minimiarvon m  2 . Päinvastoin, jos  1   2, niin vaihe 2 muuttuu lopulta vaiheeksi 1. Vain ehdolla  1 (P, T) =  2 (P, T) (1) Vaiheet ovat tasapainossa toisiaan. Siten faasitasapainon ehto on niiden spesifisten termodynaamisten potentiaalien yhtäläisyys.

Kaavio hiilidioksidin faasitasapainosta:

Ehdon (1) merkitys on, että kaikissa vaihemuunnoksissa tietyn termodynaamisen potentiaalin arvo pysyy muuttumattomana. Siten kaikissa aineen tilan muutoksissa sen spesifinen termodynaaminen potentiaali muuttuu aina jatkuvasti

Prosessit faasisiirtymissä Harkitse: Haihtumista ja kondensaatiota Sulaminen ja kiteytyminen Nesteen kiehuminen ja ylikuumeneminen

Haihtuminen ja kondensoituminen Nesteen siirtymistä kaasumaiseen tilaan kutsutaan haihdutukseksi, kiinteän aineen siirtymistä kaasumaiseen tilaan sublimaatioksi. Lämpöä, joka on siirrettävä aineen massayksikköön, jotta se muuttuisi höyryksi samassa lämpötilassa kuin aineella oli ennen haihtumista, kutsutaan ominaishaihtumislämmöksi. Kondensoitumisen aikana haihdutuksen aikana kulunut lämpö palautetaan: lauhtumisen aikana muodostuva neste lämpenee. Höyryn, joka on tasapainossa nesteensä kanssa, sanotaan olevan kylläinen. Painetta, jossa tasapaino havaitaan, kutsutaan kyllästymishöyryn paineeksi.

Jonkin nesteen haihtuminen Joidenkin nesteiden haihtuminen kaaviossa

Sulaminen ja kiteytyminen Kiteisen kappaleen siirtyminen nestemäiseen tilaan tapahtuu kullekin aineelle tietyssä lämpötilassa ja vaatii tietyn määrän lämpöä, jota kutsutaan sulamislämmöksi. Sulamispiste riippuu paineesta. Siten siirtyminen kiteisestä nestetilasta tapahtuu melko määrätyissä olosuhteissa, joille ovat ominaisia ​​paineet ja lämpötilat. Näiden arvojen joukko vastaa kaavion käyrää (p, T), jota kutsutaan yleisesti sulamiskäyräksi

Kiteyttämisen käänteinen sulatusprosessi etenee seuraavasti. Kun neste jäähdytetään lämpötilaan, jossa kiinteä ja nestefaasi voivat olla tasapainossa tietyssä paineessa (eli samaan lämpötilaan, jossa sulaminen tapahtui), kiteet alkavat kasvaa samanaikaisesti niin kutsuttujen ytimien tai keskusten ympärillä. kiteytys. Kasvaessaan yhä enemmän yksittäiset kiteet sulautuvat lopulta toisiinsa muodostaen monikiteisen kiinteän aineen. Kiteytysprosessiin liittyy saman määrän lämpöä, joka imeytyy sulamisen aikana.

Sulaminen

Kaavio: Sulaminen - Kiteytyminen

Nesteen kiehuminen ja tulistaminen Jos astiassa olevaa nestettä kuumennetaan jatkuvassa ulkoisessa paineessa nesteen vapaalta pinnalta. Tätä höyrystymisprosessia kutsutaan haihdutukseksi. Kun saavutetaan tietty lämpötila, jota kutsutaan kiehumispisteeksi, höyryn muodostuminen alkaa tapahtua paitsi vapaalta pinnalta, vaan höyrykuplat kasvavat ja nousevat pintaan vetämällä itse nesteen mukanaan. Höyrystymisprosessista tulee myrskyisä. Tätä ilmiötä kutsutaan kiehumiseksi. Tulistettua vettä voidaan saada esimerkiksi kvartsipullossa, jossa on sileät seinämät. Huuhtele pullo perusteellisesti ensin rikki-, typpi- tai muulla hapolla ja sitten tislatulla vedellä. Pestyyn pulloon kaadetaan tislattu vesi, josta siihen liuennut ilma poistetaan pitkittyneellä keittämisellä. Sen jälkeen pullossa oleva vesi voidaan lämmittää kaasupolttimella paljon kiehumispistettä korkeampaan lämpötilaan, mutta silti se ei kiehu, vaan vain haihtuu intensiivisesti vapaalta pinnalta. Ainoastaan ​​satunnaisesti pullon pohjalle muodostuu höyrykupla, joka kasvaa nopeasti, irtoaa pohjasta ja nousee nesteen pintaan, ja sen mitat kasvavat suuresti nostettaessa. Silloin vesi pysyy tyynenä pitkään. Jos tällaiseen veteen viedään kaasumaisen muodon alkio, esimerkiksi ripaus teetä heitetään, se kiehuu rajusti ja sen lämpötila laskee nopeasti kiehumispisteeseen. Tämä tehokas kokemus on räjähdysmäinen.

Kiehuva Veden lämpötila ytimien kiehumisessa

Johtopäätös Tämä työ antoi mahdollisuuden oppia lisää prosesseista, jotka tapahtuvat aineen olomuodon siirtyessä toiseen, millaisia ​​ominaisuuksia kullakin faasilla ja tilalla on. Nähdessään ympärillämme olevat prosessit voimme helposti kertoa, kuinka se tapahtuu, kun tiedämme vain perusteorian. Siksi fysiikka auttaa meitä oppimaan suurimman osan luonnontieteen laeista, jotka auttavat meitä tulevaisuudessa.

2. Ensimmäisen ja toisen tyypin vaihesiirtymät…………………………..4

3. Ihanteellinen kaasu………………………………………………………….7

4. Todellinen kaasu………………………………………………………….8

5. Kriittisten ilmiöiden molekyylikineettinen teoria….….9

6. Supersujuvuus……………………………………………………………..11

7. Suprajohtavuus…………………………………………………..13

7.1 Suprajohtavuuden havaitseminen…………………………..13

7.2 Elektroni-fononi vuorovaikutus………………..14

7.3 Ensimmäisen ja toisen tyypin suprajohteet…………16

7.4 Suprajohteen valmistusohje……………….17

7.5 Turvatoimet…………………………………….18

7.6 Meisner-ilmiö………………………………………………………………………………20

8. Johtopäätös……………………………………………………….22

9. Viitteet……………………………………………….25

1. Esittely.

Vaiheita kutsutaan fysikaalis-kemiallisten järjestelmien homogeenisiksi eri osiksi. Aine on homogeeninen, kun aineen kaikki tilan parametrit ovat samat kaikissa tilavuuksissaan, joiden mitat ovat suuret verrattuna atomien välisiin tiloihin. Eri kaasujen seokset muodostavat aina yhden faasin, jos ne ovat samassa pitoisuudessa koko tilavuudessa.

Sama aine voi ulkoisista olosuhteista riippuen olla jossakin kolmesta aggregaatiotilasta - nestemäinen, kiinteä tai kaasumainen. Ulkoisista olosuhteista riippuen se voi olla yhdessä vaiheessa tai useissa vaiheissa kerralla. Ympäröivässä luonnossa havaitsemme erityisen usein veden faasimuutoksia. Esimerkiksi: haihtuminen, kondensaatio. On olemassa paine- ja lämpötilaolosuhteita, joissa aine on tasapainossa eri faaseissa. Esimerkiksi nesteytettäessä kaasua faasitasapainotilassa tilavuus voi olla mikä tahansa ja siirtymälämpötila on suhteessa kyllästyshöyryn paineeseen. Lämpötiloja, joissa tapahtuu siirtymä vaiheesta toiseen, kutsutaan siirtymälämpötiloiksi. Ne riippuvat paineesta, vaikkakin vaihtelevassa määrin: sulamispiste on heikompi, höyrystymis- ja sublimaatiolämpötila on vahvempi. Normaalissa ja vakiopaineessa siirtyminen tapahtuu tietyssä lämpötilassa, ja tässä tapahtuu sulaminen, kiehuminen ja sublimoituminen (tai sublimoituminen). Sublimaatio on aineen siirtymistä kiinteästä tilasta kaasumaiseen tilaan, joka voidaan havaita esimerkiksi komeetan pyrstöjen kuorissa. Kun komeetta on kaukana auringosta, lähes kaikki sen massa on keskittynyt sen ytimeen, jonka pituus on 10-12 kilometriä. Ydin, jota ympäröi pieni kaasukuori, on niin kutsuttu komeetan pää. Aurinkoa lähestyttäessä komeetan ydin ja kuoret alkavat lämmetä, sublimoitumisen todennäköisyys kasvaa ja desublimaatio pienenee. Komeetan ytimestä karkaavat kaasut kuljettavat mukanaan kiinteitä hiukkasia, komeetan pään tilavuus kasvaa ja muuttuu koostumukseltaan kaasumaiseksi ja pölyiseksi.

2. Ensimmäisen ja toisen tyypin vaihesiirtymät.

Vaihesiirtymiä on monenlaisia. Muutoksia aineen aggregaattitiloissa kutsutaan ensimmäisen kertaluvun faasisiirtymiksi, jos:

1) Lämpötila on vakio koko siirtymän ajan.

2) Järjestelmän äänenvoimakkuus muuttuu.

3) Järjestelmän entropia muuttuu.

Jotta tällainen faasisiirtymä tapahtuisi, on välttämätöntä, että tietty aineen massa peittää tietyn määrän lämpöä, joka vastaa muunnoslämpöä. Todellakin, kun kondensoitunut faasi siirtyy faasiin, jolla on pienempi tiheys, tietty määrä energiaa on välitettävä lämmön muodossa, joka menee tuhoamaan kidehilan (sulamisen aikana) tai poistamaan nestemolekyylejä toisistaan ​​( höyrystymisen aikana). Muutoksen aikana piilevä lämpö menee koheesiovoimien muutokseen, lämpöliikkeen intensiteetti ei muutu, minkä seurauksena lämpötila pysyy vakiona. Tällaisella siirtymällä epäjärjestyksen aste ja siten entropia kasvaa. Jos prosessi etenee päinvastaiseen suuntaan, piilevää lämpöä vapautuu. Ensimmäisen tyyppisiä faasisiirtymiä ovat: kiinteän aineen muuttuminen nesteeksi (sulatus) ja käänteinen prosessi (kiteytys), neste höyryksi (haihtuminen, kiehuminen). Yksi kiteinen muunnos - toiseen (polymorfiset muunnokset). Toisen tyyppisiä vaihesiirtymiä ovat: normaalin johtimen siirtyminen suprajohtavaan tilaan, helium-1 siirtyminen supernesteiseksi helium-2:ksi, ferromagneetin siirtyminen paramagneetiksi. Metallit, kuten rauta, koboltti, nikkeli ja gadolinium erottuvat kyvystään olla erittäin magnetisoituneita ja ylläpitää magnetisoitumistilaa pitkään. Niitä kutsutaan ferromagneeteiksi. Useimmat metallit (alkali- ja maa-alkalimetallit ja merkittävä osa siirtymämetalleista) ovat heikosti magnetoituneita eivätkä säilytä tätä tilaa magneettikentän ulkopuolella - nämä ovat paramagneetteja. Toisen, kolmannen ja niin edelleen lajin faasisiirtymät liittyvät niiden termodynaamisen potentiaalin ∂f derivaattojen järjestykseen, joilla on äärelliset mittaukset siirtymäpisteessä. Tällainen vaihemuutosten luokittelu liittyy teoreettisen fyysikon työhön. Paul Ernest (1880-1933). Joten toisen asteen vaihesiirtymän tapauksessa toisen kertaluvun derivaatat kokevat hyppyjä siirtymäpisteessä: lämpökapasiteetti vakiopaineessa Cp \u003d -T (∂f 2 / ∂T 2), puristuvuus β \u003d - (1 / V 0) (∂ 2 f / ∂p 2), lämpölaajenemiskerroin α=(1/V 0)(∂ 2 f/∂Tp), kun taas ensimmäiset derivaatat pysyvät jatkuvina. Tämä tarkoittaa, että lämmön vapautumista (absorptiota) ei tapahdu eikä ominaistilavuudessa (φ - termodynaaminen potentiaali) muutu.

Faasitasapainotilalle on ominaista tietty suhde faasimuunnoslämpötilan ja paineen välillä. Numeerisesti tämä vaihesiirtymien riippuvuus saadaan Clausius-Clapeyron-yhtälöstä: Dp/DT=q/TDV. Tutkimus alhaisissa lämpötiloissa on erittäin tärkeä fysiikan haara. Tosiasia on, että tällä tavalla on mahdollista päästä eroon kaoottiseen lämpöliikkeeseen liittyvistä häiriöistä ja tutkia ilmiöitä "puhtaassa" muodossa. Tämä on erityisen tärkeää kvanttisäännönmukaisuuksien tutkimuksessa. Yleensä kaoottisesta lämpöliikkeestä johtuen fysikaalinen suure keskiarvotetaan suurelta joukolta sen eri arvoja ja kvanttihypyt "siivotaan".

Matalat lämpötilat (kryogeeniset lämpötilat), fysiikassa ja kryogeenisessä tekniikassa lämpötila-alue on alle 120°K (0°C=273°K); Carnotin (hän ​​työskenteli lämpökoneen parissa) ja Clausiuksen työ loi pohjan kaasujen ja höyryjen ominaisuuksien tai teknisen termodynamiikan tutkimukselle. Vuonna 1850 Clausius huomasi, että kylläinen vesihöyry tiivistyy osittain paisuessaan ja ylikuumenee puristuksen aikana. Renu antoi erityisen panoksen tämän tieteenalan kehitykseen. Kaasumolekyylien sisätilavuus huoneenlämmössä on noin tuhannesosa kaasun tilaamasta tilavuudesta. Lisäksi molekyylit houkuttelevat toisiaan suuremmilla etäisyyksillä kuin ne, joista niiden hylkiminen alkaa.

Yhtä kuin entropian spesifiset arvot, otettuna vastakkaisella merkillä, ja tilavuus: (4.30) Jos faasitasapainoa tyydyttävässä pisteessä: , eri faasien kemiallisen potentiaalin ensimmäiset derivaatat kokevat epäjatkuvuuden: , ( 4.31) he sanovat, että termodynaaminen järjestelmä kokee 1. tyypin vaihemuutoksen. Ensimmäisen tyyppisille vaihesiirtymille on ominaista faasisiirtymän piilevän lämmön läsnäolo, ...

Ylinostoja vastaan, nolla- ja maksimisuojaus. - huolehtia alusten pysäyttämisestä rungon välissä. valosignalointi nostokoneen rakennuksen nostoyksikön toimintatavoista, lastauslaitteen käyttäjältä, lähettäjältä. Nykyaikaiset säädettävät DC-sähkökäytöt automatisoituihin nostojärjestelmiin perustuvat tasavirtamoottoreihin ...

44,5 cm, c = 12 cm, a = 20 cm, l = 8 cm Magneettijärjestelmän voimavaikutus arvioitiin arvolla, joka on yhtä suuri kuin kenttämoduulin H ja sen gradientin tulo. Havaittiin, että tarkasteltavana olevan magneettijärjestelmän kenttämoduulin H jakaumalle on ominaista selvä kulmariippuvuus. Siksi kenttämoduulin H laskenta suoritettiin 1° askeleella pisteille, jotka sijaitsevat kahdella eri kaarella kaikille...

Järjestelmä koostuu sen "vaiheen muotokuvan" hankkimisesta (Volkenshtein, 1978). Se mahdollistaa järjestelmän stationaaristen tilojen ja sen dynamiikan luonteen paljastamisen niistä poikettaessa. Vaihemuotokuvamenetelmää käytetään tekniikassa analysoimaan ja ennustamaan vaihtelevan monimutkaisuuden omaavien fyysisten järjestelmien käyttäytymistä ja matemaattisessa ekologiassa populaatiodynamiikan analysointiin (Volkenshtein, 1978; Svirezhev...

konsepti vaihe termodynamiikassa tarkastellaan laajemmassa merkityksessä kuin aggregaattitiloja. Mukaan alle vaihe termodynamiikassa he ymmärtävät aineen termodynaamisesti tasapainotilan, joka eroaa fysikaalisista ominaisuuksiltaan saman aineen muista mahdollisista tasapainotiloista. Joskus aineen epätasapainoista metastabiilia tilaa kutsutaan myös faasiksi, mutta metastabiiliksi. Aineen faasit voivat poiketa rakenteellisten hiukkasten liikkeen luonteesta ja järjestetyn rakenteen olemassaolosta tai puuttumisesta. Eri kidefaasit voivat poiketa toisistaan ​​kiderakenteen tyypin, sähkönjohtavuuden, sähköisten ja magneettisten ominaisuuksien jne. suhteen. Nestefaasit eroavat toisistaan ​​komponenttien pitoisuuksien, suprajohtavuuden läsnäolon tai puuttumisen suhteen jne.

Aineen siirtymistä faasista toiseen kutsutaan vaihemuutos . Faasimuutoksia ovat höyrystymisen ja sulamisen, kondensoitumisen ja kiteytymisen jne. ilmiöt. Kaksifaasijärjestelmässä faasit ovat tasapainossa samassa lämpötilassa. Tilavuuden kasvaessa osa nesteestä muuttuu höyryksi, mutta samalla lämpötilan pitämiseksi muuttumattomana on siirrettävä tietty määrä lämpöä ulkopuolelta. Siten siirtymisen suorittamiseksi nestefaasista kaasumaiseen järjestelmään on välttämätöntä siirtää lämpöä muuttamatta järjestelmän lämpötilaa. Tätä lämpöä käytetään muuttamaan aineen vaihetilaa ja sitä kutsutaan vaihemuunnoslämpö tai piilevä siirtymälämpö . Lämpötilan noustessa kiinteän ainemassan piilevä siirtymälämpö pienenee, ja kriittisessä lämpötilassa se on nolla. Vaihemuutoksen karakterisoimiseksi käytetään faasimuutoksen ominaislämpöä. Vaiheenmuutoksen ominaislämpö on piilevän lämmön määrä aineen massayksikköä kohti.

Vaiheensiirtymiä, joissa piilevä siirtymälämpö imeytyy tai vapautuu, kutsutaan ensimmäisen asteen vaihesiirrot . Tässä tapauksessa sisäinen energia ja tiheys muuttuvat äkillisesti. Kun siirrytään järjestäytyneemmästä tilasta vähemmän järjestyneeseen tilaan, entropia kasvaa. Taulukossa on lueteltu ensimmäisen asteen vaihesiirtymät ja niiden pääominaisuudet.

Pöytä. Ensimmäisen radin vaihesiirtymät ja niiden pääominaisuudet .

vaihemuutos	Siirtymäsuunta	Piilevä siirtymälämpö	Entropian muutos vaihemuutoksen aikana
höyrystymistä	neste  höyry	L P on höyrystymislämpö, t- nesteen massa muutettuna höyryksi.	Entropia kasvaa
Tiivistyminen	Höyry  neste	, missä L KOH on kondensaatiolämpötilan ominaislämmön arvo, t- nesteeksi muunnetun höyryn massa	Entropia pienenee ΔS kr< 0
Sulaminen	Kiinteä  neste	, missä L PL on spesifinen sulamislämpö, t- nesteeksi muunnetun kiinteän kappaleen massa	Entropia kasvaa ΔS pl > 0
Kiteytys	neste  kiinteä	, missä L KR t- nesteen massa, joka on muutettu kiinteäksi kappaleeksi - kiteeksi	Entropia pienenee ΔS kr< 0
Sublimaatio (tai sublimaatio)	Kiinteä  Höyry	, missä L FROM on sublimoitumisen ominaislämpö, t- kiinteän kappaleen massa muutettuna höyryksi	Entropia kasvaa
desublimaatio (Kiteytys ohittaa nestefaasin)	Höyry  Kiinteä (nestefaasin ohittaminen)	, missä L KR on ominaiskiteytyslämmön arvo, t- höyryn massa siirtyy kiinteään kappaleeseen - kiteen	Entropia pienenee ΔS kr< 0

FROM on suhde paineen, jossa kaksivaiheinen järjestelmä on tasapainossa, ja lämpötilan välillä ensimmäisen asteen faasisiirtymien aikana. Tämä suhde on kuvattu . Harkitse tämän yhtälön johtamista suljetuille järjestelmille. Jos hiukkasten lukumäärä systeemissä on vakio, niin sisäisen energian muutos termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan määräytyy lausekkeella: . Vaiheiden välinen tasapaino tulee ehdolla, että T 1 \u003d T 2 ja P 1 \u003d P 2. Tarkastellaan äärettömän pientä palautuvaa Carnot-sykliä (kuva 6.8), jonka isotermit vastaavat kaksivaiheisen järjestelmän tilaa lämpötiloissa T ja dT. Koska tilaparametrit muuttuvat tässä tapauksessa äärettömän vähän, kuvan 6.8 isotermit ja adiabaatit on esitetty suorina viivoina. Paine tällaisessa syklissä muuttuu dP:llä. Järjestelmän työ sykliä kohti määritetään kaavalla:
. Oletetaan, että sykli on toteutettu järjestelmälle, jonka ainemassa on yksi. Tällaisen perus-Carnot-syklin tehokkuus voidaan määrittää kaavoilla:
tai
, missä L P on höyrystymislämpö. Yhtälöimällä näiden yhtälöiden oikeat osat ja korvaamalla työn ilmaisun paineella ja tilavuudella saadaan:
. Korreloimme paineen muutoksen lämpötilan muutokseen ja saamme:

(6.23)

Kutsutaan yhtälöä (6.23). Clausius-Clapeyron yhtälö . Analysoimalla tätä yhtälöä voimme päätellä, että lämpötilan noustessa paine kasvaa. Tämä seuraa siitä tosiasiasta, että
, joka tarkoittaa
.

Clausius-Clapeyron-yhtälö ei sovellu vain nestehöyry-siirtymään. Se koskee kaikkia ensimmäisen tyypin siirtymiä. Yleisesti ottaen se voidaan kirjoittaa näin:

(6.24)

Clapeyron-Clausius-yhtälön avulla voidaan esittää järjestelmän tilakaavio P,T-koordinaateissa (kuva 6.9). Tässä kaaviossa käyrä 1 on sublimaatiokäyrä. Se vastaa kahden faasin tasapainotilaa: kiinteä ja höyry. Tämän käyrän vasemmalla puolella olevat pisteet kuvaavat yksivaiheista kiinteää tilaa. Oikealla olevat pisteet kuvaavat höyryn tilaa. Käyrä 2 on sulamiskäyrä. Se vastaa kahden faasin tasapainotilaa: kiinteä ja nestemäinen. Tämän käyrän vasemmalla puolella olevat pisteet kuvaavat yksivaiheista kiinteää tilaa. Sen oikealla puolella olevat pisteet käyrään 3 saakka kuvaavat nestemäistä tilaa. Käyrä 3 on höyrystymiskäyrä. Se vastaa kahden faasin tasapainotilaa: neste ja höyry. Tämän käyrän vasemmalla puolella olevat pisteet kuvaavat yksifaasista nestetilaa. Oikealla olevat pisteet kuvaavat höyryn tilaa. Käyrä 3, toisin kuin käyrät 1 ja 2, on rajattu molemmilta puolilta. Toisaalta - kolmoispiste Tr, toisaalta - kriittinen piste K (kuva 6.9). kolmoispiste kuvaa kolmen faasin tasapainotilaa kerralla: kiinteä, nestemäinen ja höyry.