27. लोहे की संरचना और गुण; मेटास्टेबल और स्थिर लौह-कार्बन चरण आरेख। कार्बन स्टील्स की संरचना का गठन। संरचना द्वारा स्टील में कार्बन सामग्री का निर्धारण आयरन-कार्बन मिश्र धातु सबसे आम धातु है

परिचय।

चरण भौतिक रासायनिक प्रणालियों के सजातीय विभिन्न भाग हैं। एक पदार्थ सजातीय होता है जब पदार्थ की स्थिति के सभी पैरामीटर उसके सभी संस्करणों में समान होते हैं, जिसके आयाम अंतर-परमाणु राज्यों की तुलना में बड़े होते हैं। विभिन्न गैसों के मिश्रण हमेशा एक चरण बनाते हैं यदि वे पूरे आयतन में समान सांद्रता में हों।

बाहरी परिस्थितियों के आधार पर एक ही पदार्थ, एकत्रीकरण के तीन राज्यों में से एक में हो सकता है - तरल, ठोस या गैसीय। बाहरी परिस्थितियों के आधार पर, यह एक चरण में या एक साथ कई चरणों में हो सकता है। हमारे आस-पास की प्रकृति में, हम विशेष रूप से अक्सर पानी के चरण संक्रमण का निरीक्षण करते हैं। उदाहरण के लिए: वाष्पीकरण, संघनन। ऐसे दबाव और तापमान की स्थिति होती है जिसके तहत पदार्थ विभिन्न चरणों में संतुलन में होता है। उदाहरण के लिए, चरण संतुलन की स्थिति में गैस का द्रवीकरण करते समय, मात्रा कुछ भी हो सकती है, और संक्रमण तापमान संतृप्ति वाष्प दबाव से संबंधित होता है। जिस तापमान पर एक चरण से दूसरे चरण में संक्रमण होता है उसे संक्रमण तापमान कहा जाता है। वे दबाव पर निर्भर करते हैं, हालांकि अलग-अलग डिग्री तक: गलनांक कमजोर होता है, वाष्पीकरण और उच्च बनाने की क्रिया का तापमान अधिक मजबूत होता है। सामान्य और स्थिर दबाव पर, संक्रमण एक निश्चित तापमान मान पर होता है, और यहां पिघलने, उबलने और उच्च बनाने की क्रिया (या उच्च बनाने की क्रिया) होती है। उच्च बनाने की क्रिया एक ठोस से गैसीय अवस्था में किसी पदार्थ का संक्रमण है, जिसे देखा जा सकता है, उदाहरण के लिए, हास्य पूंछ के गोले में। जब कोई धूमकेतु सूर्य से दूर होता है, तो उसका लगभग सारा द्रव्यमान उसके नाभिक में केंद्रित हो जाता है, जिसकी माप 10-12 किलोमीटर होती है। गैस के एक छोटे से खोल से घिरा हुआ नाभिक धूमकेतु का तथाकथित सिर है। सूर्य के निकट आने पर धूमकेतु के कोर और कोश गर्म होने लगते हैं, ऊर्ध्वपातन की संभावना बढ़ जाती है, और ऊर्ध्वपातन कम हो जाता है। धूमकेतु के नाभिक से निकलने वाली गैसें ठोस कणों को अपने साथ अंदर ले जाती हैं, धूमकेतु का सिर मात्रा में बढ़ जाता है और संरचना में गैसीय और धूलदार हो जाता है।

पहले और दूसरे प्रकार के चरण संक्रमण।

चरण संक्रमण कई प्रकार के होते हैं। किसी पदार्थ की समग्र अवस्थाओं में परिवर्तन को प्रथम-क्रम चरण संक्रमण कहा जाता है यदि:

1) पूरे संक्रमण के दौरान तापमान स्थिर रहता है।

2) सिस्टम की मात्रा बदल रही है।

3) प्रणाली की एन्ट्रापी बदलती है।

इस तरह के एक चरण संक्रमण होने के लिए, पदार्थ के दिए गए द्रव्यमान के लिए परिवर्तन की गुप्त गर्मी के अनुरूप एक निश्चित मात्रा में गर्मी को गर्म करना आवश्यक है। दरअसल, कम घनत्व वाले चरण में संघनित चरण के संक्रमण के दौरान, गर्मी के रूप में एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा प्रदान की जानी चाहिए, जो क्रिस्टल जाली (पिघलने के दौरान) को नष्ट करने या प्रत्येक से तरल अणुओं को हटाने के लिए जाएगी। अन्य (वाष्पीकरण के दौरान)। परिवर्तन के दौरान, गुप्त गर्मी एकजुट बलों के परिवर्तन में जाएगी, थर्मल गति की तीव्रता नहीं बदलेगी, नतीजतन, तापमान स्थिर रहेगा। इस तरह के एक संक्रमण के साथ, विकार की डिग्री, और इसलिए एन्ट्रापी बढ़ जाती है। यदि प्रक्रिया विपरीत दिशा में जाती है, तो गुप्त ऊष्मा निकलती है। पहले प्रकार के चरण संक्रमण में शामिल हैं: एक ठोस का एक तरल (पिघलना) और रिवर्स प्रक्रिया (क्रिस्टलीकरण), तरल से वाष्प (वाष्पीकरण, उबलना) में परिवर्तन। एक क्रिस्टलीय संशोधन - दूसरे के लिए (बहुरूपी परिवर्तन)। दूसरे प्रकार के चरण संक्रमणों में शामिल हैं: एक सामान्य कंडक्टर का एक सुपरकंडक्टिंग राज्य में संक्रमण, हीलियम -1 से सुपरफ्लुइड हीलियम -2, एक फेरोमैग्नेट से एक पैरामैग्नेट में। लोहा, कोबाल्ट, निकल और गैडोलीनियम जैसी धातुएँ अत्यधिक चुम्बकित होने और लंबे समय तक चुम्बकत्व की स्थिति बनाए रखने की अपनी क्षमता के लिए विशिष्ट हैं। उन्हें फेरोमैग्नेट कहा जाता है। अधिकांश धातुएँ (क्षार और क्षारीय पृथ्वी धातुएँ और संक्रमण धातुओं का एक महत्वपूर्ण हिस्सा) कमजोर रूप से चुम्बकित होती हैं और चुंबकीय क्षेत्र के बाहर इस अवस्था को बनाए नहीं रखती हैं - ये पैरामैग्नेट हैं। दूसरे, तीसरे, और इसी तरह के चरण संक्रमण थर्मोडायनामिक क्षमता के उन डेरिवेटिव के क्रम से जुड़े होते हैं? च, जो संक्रमण बिंदु पर परिमित माप का अनुभव करते हैं। चरण परिवर्तनों का ऐसा वर्गीकरण सैद्धांतिक के काम से जुड़ा है भौतिक विज्ञानी पॉल अर्नेस्ट (1880 -1933)। तो, दूसरे क्रम के चरण संक्रमण के मामले में, दूसरे क्रम के डेरिवेटिव का अनुभव संक्रमण बिंदु पर कूदता है: निरंतर दबाव पर गर्मी क्षमता? पी 2), थर्मल विस्तार गुणांक बी \u003d (1 / वी 0) (? 2 च /? टीपी), जबकि पहला डेरिवेटिव निरंतर रहता है। इसका अर्थ है कि ऊष्मा का कोई विमोचन (अवशोषण) नहीं होता है और विशिष्ट आयतन (φ - थर्मोडायनामिक क्षमता) में कोई परिवर्तन नहीं होता है।

चरण संतुलन की स्थिति चरण परिवर्तन तापमान और दबाव के बीच एक निश्चित संबंध की विशेषता है। संख्यात्मक रूप से, चरण संक्रमण के लिए यह निर्भरता क्लॉसियस-क्लैपेरॉन समीकरण द्वारा दी गई है: पी/टी = क्यू/टीवी। कम तापमान पर अनुसंधान भौतिकी की एक बहुत ही महत्वपूर्ण शाखा है। तथ्य यह है कि इस तरह से अराजक तापीय गति से जुड़े हस्तक्षेप से छुटकारा पाना और घटनाओं का अध्ययन "शुद्ध" रूप में करना संभव है। क्वांटम नियमितताओं के अध्ययन में यह विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। आमतौर पर, अराजक तापीय गति के कारण, एक भौतिक मात्रा का औसत उसके विभिन्न मूल्यों की एक बड़ी संख्या से अधिक होता है, और क्वांटम छलांग "स्मीयर आउट" होती है।

कम तापमान (क्रायोजेनिक तापमान), भौतिकी और क्रायोजेनिक प्रौद्योगिकी में, तापमान सीमा 120°K (0°C=273°K) से कम है; कार्नोट के काम (उन्होंने एक हीट इंजन पर काम किया) और क्लॉसियस ने गैसों और वाष्पों, या तकनीकी थर्मोडायनामिक्स के गुणों पर शोध की नींव रखी। 1850 में, क्लॉसियस ने देखा कि संतृप्त जल वाष्प विस्तार के दौरान आंशिक रूप से संघनित होता है और संपीड़न के दौरान अत्यधिक गरम हो जाता है। इस वैज्ञानिक विद्या के विकास में रेणु ने विशेष योगदान दिया। कमरे के तापमान पर गैस के अणुओं की आंतरिक मात्रा गैस के कब्जे वाले आयतन का लगभग एक हजारवां हिस्सा है। इसके अलावा, अणु एक-दूसरे से अधिक दूरी पर आकर्षित होते हैं, जहां से उनका प्रतिकर्षण शुरू होता है।

एक चरण एक पदार्थ का थर्मोडायनामिक रूप से संतुलन राज्य है जो भौतिक गुणों में उसी पदार्थ के अन्य संभावित संतुलन राज्यों से भिन्न होता है। उदाहरण के लिए, यदि एक बंद बर्तन में पानी है, तो यह प्रणाली है दो चरण:तरल चरण - पानी; गैसीय चरण - वायु और जल वाष्प का मिश्रण। अगर बर्फ के टुकड़ों को पानी में फेंक दिया जाए तो यह सिस्टम थ्री-फेज हो जाएगा, जिसमें बर्फ एक ठोस फेज होती है। अक्सर "चरण" की अवधारणा का उपयोग एकत्रीकरण की स्थिति के अर्थ में किया जाता है, लेकिन यह ध्यान में रखना चाहिए कि यह "समग्र राज्य" की अवधारणा से व्यापक है। एकत्रीकरण के एक राज्य के भीतर, एक पदार्थ कई चरणों में हो सकता है जो उनके गुणों, संरचना और संरचना में भिन्न होता है (उदाहरण के लिए, बर्फ, पांच अलग-अलग संशोधनों - चरणों में होता है)। किसी पदार्थ का एक चरण से दूसरे चरण में संक्रमण - एक चरण संक्रमण - हमेशा पदार्थ के गुणों में गुणात्मक परिवर्तन से जुड़ा होता है। एक चरण संक्रमण का एक उदाहरण किसी पदार्थ की समग्र स्थिति में परिवर्तन या किसी पदार्थ की संरचना, संरचना और गुणों में परिवर्तन से जुड़े संक्रमण हो सकते हैं (उदाहरण के लिए, एक क्रिस्टलीय पदार्थ का एक संशोधन से दूसरे में संक्रमण)।

दो प्रकार के चरण संक्रमण हैं। पहले प्रकार का एक चरण संक्रमण (उदाहरण के लिए, पिघलने, क्रिस्टलीकरण, आदि) गर्मी के अवशोषण या रिलीज के साथ होता है, जिसे चरण संक्रमण की गर्मी कहा जाता है। पहले प्रकार के चरण संक्रमण तापमान की स्थिरता, एन्ट्रापी और आयतन में परिवर्तन की विशेषता है। इसका स्पष्टीकरण इस प्रकार दिया जा सकता है। उदाहरण के लिए, पिघलने के दौरान, क्रिस्टल जाली के विनाश का कारण बनने के लिए शरीर को एक निश्चित मात्रा में गर्मी प्रदान की जानी चाहिए। पिघलने के दौरान आपूर्ति की जाने वाली गर्मी शरीर को गर्म करने के लिए नहीं, बल्कि अंतर-परमाणु बंधनों को तोड़ने के लिए जाती है, इसलिए पिघलना एक स्थिर तापमान पर होता है। ऐसे संक्रमणों में - अधिक क्रमित क्रिस्टलीय अवस्था से कम आदेशित तरल अवस्था में - विकार की डिग्री बढ़ जाती है, अर्थात, ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के अनुसार, यह प्रक्रिया प्रणाली की एन्ट्रापी में वृद्धि से जुड़ी होती है। यदि संक्रमण विपरीत दिशा (क्रिस्टलीकरण) में होता है, तो सिस्टम गर्मी छोड़ता है।

चरण संक्रमण जो गर्मी के अवशोषण या रिलीज से जुड़े नहीं हैं और मात्रा में परिवर्तन को दूसरे क्रम के चरण संक्रमण कहा जाता है। इन संक्रमणों को एक स्थिर आयतन और एन्ट्रापी की विशेषता है, लेकिन गर्मी क्षमता में अचानक परिवर्तन। दूसरे प्रकार के चरण संक्रमण की सामान्य व्याख्या शिक्षाविद एल डी लांडौ (1908-1968) द्वारा प्रस्तावित की गई थी। इस व्याख्या के अनुसार, दूसरे क्रम के चरण संक्रमण समरूपता में बदलाव के साथ जुड़े हुए हैं: संक्रमण बिंदु के ऊपर, सिस्टम, एक नियम के रूप में, संक्रमण बिंदु के नीचे की तुलना में अधिक समरूपता है। दूसरे प्रकार के चरण संक्रमण के उदाहरण हैं: एक निश्चित दबाव और तापमान पर लौहचुंबकीय पदार्थों (लोहा, निकल) का एक अनुचुंबकीय अवस्था में संक्रमण; 0 K के करीब के तापमान पर धातुओं और कुछ मिश्र धातुओं का एक अतिचालक अवस्था में संक्रमण, जो विद्युत प्रतिरोध में अचानक कमी के कारण शून्य हो जाता है; सामान्य तरल हीलियम (हीलियम I) का T=2.9K पर एक अन्य तरल संशोधन (हीलियम II) में सुपरफ्लुइडिटी गुणों के साथ परिवर्तन।

के चरण- ये भौतिक-रासायनिक प्रणालियों के विभिन्न सजातीय भाग हैं। एक पदार्थ सजातीय होता है जब पदार्थ की स्थिति के सभी पैरामीटर उसके सभी प्रारंभिक संस्करणों में समान होते हैं, जिसके आयाम अंतर-परमाणु राज्यों की तुलना में बड़े होते हैं। विभिन्न गैसों के मिश्रण हमेशा एक चरण बनाते हैं यदि वे पूरे आयतन में समान सांद्रता में हों। बाहरी परिस्थितियों के आधार पर एक ही पदार्थ, एकत्रीकरण के तीन राज्यों में से एक में हो सकता है - तरल, ठोस या गैसीय। चरण एकत्रीकरण की एक निश्चित अवस्था की स्थिर अवस्थाएँ हैं। एक चरण की अवधारणा एक समग्र राज्य की अवधारणा से व्यापक है।

बाहरी परिस्थितियों के आधार पर, सिस्टम या तो एक चरण में या कई चरणों में एक साथ संतुलन में हो सकता है। उनके संतुलन अस्तित्व को कहा जाता है चरण संतुलन।

वाष्पीकरणऔर वाष्पीकरण -प्राकृतिक वातावरण में पानी के अक्सर देखे जाने वाले चरण संक्रमण। जब पानी भाप में गुजरता है, तो वाष्पीकरण पहले होता है - तरल की सतह परत का भाप में संक्रमण, जबकि केवल सबसे तेज़ अणु भाप में गुजरते हैं: उन्हें आसपास के अणुओं के आकर्षण को दूर करना होगा, इसलिए उनकी औसत गतिज ऊर्जा और तदनुसार, तरल का तापमान कम हो जाता है। रोजमर्रा की जिंदगी और विपरीत प्रक्रिया में देखा गया - संक्षेपण। ये दोनों प्रक्रियाएं बाहरी परिस्थितियों पर निर्भर करती हैं। कुछ मामलों में, उनके बीच एक गतिशील संतुलन स्थापित होता है, जब तरल छोड़ने वाले अणुओं की संख्या उसमें लौटने वाले अणुओं की संख्या के बराबर हो जाती है। एक तरल में अणु आकर्षक बलों से बंधे होते हैं जो उन्हें तरल के भीतर रखते हैं। यदि औसत से अधिक वेग वाले अणु सतह के पास हैं, तो वे इसे छोड़ सकते हैं। तब शेष अणुओं की औसत गति कम हो जाएगी और तरल का तापमान कम हो जाएगा। एक स्थिर तापमान पर वाष्पीकरण के लिए, तरल को एक निश्चित मात्रा में गर्मी प्रदान की जानी चाहिए: क्यू= आरटी,जहां r वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा है, जो बढ़ते तापमान के साथ घटती जाती है। कमरे के तापमान पर, पानी के एक अणु के लिए वाष्पीकरण की गर्मी 10 -20 जे है, जबकि थर्मल गति की औसत ऊर्जा 6.06 10 -21 जे है। इसका मतलब है कि

ऊर्जा के साथ अणु जो तापीय गति की ऊर्जा का 10 गुना है। तरल सतह से गुजरने पर, एक तेज अणु की स्थितिज ऊर्जा बढ़ जाती है, जबकि गतिज ऊर्जा घट जाती है। इसलिए, थर्मल संतुलन पर वाष्प और तरल अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा बराबर होती है।

संतृप्त भाप -यह अपने तरल के साथ दिए गए तापमान के अनुरूप गतिशील संतुलन में वाष्प है। अनुभव से पता चलता है कि यह बॉयल-मैरियोट कानून का पालन नहीं करता है, क्योंकि इसका दबाव मात्रा पर निर्भर नहीं करता है। संतृप्त वाष्प दबाव उच्चतम दबाव है जो किसी दिए गए तापमान पर भाप हो सकता है। पानी के वाष्पीकरण और संघनन की प्रक्रिया से वातावरण और जलमंडल के बीच जटिल अंतःक्रिया होती है, जो मौसम और जलवायु के निर्माण के लिए महत्वपूर्ण हैं। वायुमंडल और जलमंडल के बीच पदार्थ (जल चक्र) और ऊर्जा का निरंतर आदान-प्रदान होता है।

अध्ययनों से पता चला है कि विश्व महासागर की सतह से लगभग 7,000 किमी 3 पानी वाष्पित हो जाता है, जो पृथ्वी के जलमंडल का 94% हिस्सा बनाता है, और लगभग उतनी ही मात्रा में वर्षा होती है। वायु की संवहन गति से दूर जलवाष्प ऊपर उठता है और क्षोभमंडल की ठंडी परतों में प्रवेश करता है। जैसे-जैसे यह ऊपर उठता है, वाष्प अधिक से अधिक संतृप्त हो जाती है, फिर संघनित होकर वर्षा की बूंदों का निर्माण करती है। क्षोभमंडल में भाप संघनन की प्रक्रिया में, प्रति दिन लगभग 1.6-10 22 J ऊष्मा निकलती है, जो मानव जाति द्वारा एक ही समय में उत्पन्न ऊर्जा से दसियों हज़ार गुना अधिक है।

उबलना- वाष्प से भरे बुलबुलों के उभरने के परिणामस्वरूप द्रव के वाष्प में संक्रमण की प्रक्रिया। उबाल पूरे मात्रा में होता है। उबलते तरल की सतह पर बुलबुले का टूटना इंगित करता है कि उनमें वाष्प का दबाव तरल की सतह के ऊपर के दबाव से अधिक है। 100 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर, संतृप्त वाष्प का दबाव तरल की सतह के ऊपर हवा के दबाव के बराबर होता है (इस तरह से पैमाने पर इस बिंदु को चुना गया था)। 5 किमी की ऊंचाई पर, हवा का दबाव आधा होता है और पानी 82 डिग्री सेल्सियस पर उबलता है, और क्षोभमंडल (17 किमी) की सीमा पर - लगभग 65 डिग्री सेल्सियस पर। इसलिए, एक तरल का क्वथनांक उस तापमान से मेल खाता है जिस पर उसका संतृप्त वाष्प दबाव बाहरी दबाव के बराबर होता है। चंद्रमा का कमजोर गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र (इसकी सतह के पास गुरुत्वाकर्षण त्वरण केवल 1.7 m/s 2 है) वातावरण को धारण करने में सक्षम नहीं है, और वायुमंडलीय दबाव की अनुपस्थिति में, तरल तुरंत उबल जाता है, इसलिए चंद्र "समुद्र" हैं निर्जल और ठोस लावा से बनते हैं। इसी कारण से, मंगल ग्रह के "चैनल" भी निर्जल हैं।

एक पदार्थ संतुलन में और विभिन्न चरणों में हो सकता है। इसलिए, चरण संतुलन की स्थिति में गैस को द्रवित करते समय, मात्रा कुछ भी हो सकती है, और संक्रमण तापमान संतृप्ति वाष्प दबाव से संबंधित होता है। एक समतल पर प्रक्षेपित करके चरण संतुलन वक्र प्राप्त किया जा सकता है (पी, टी)तरल अवस्था में संक्रमण के क्षेत्र। विश्लेषणात्मक रूप से, दो चरणों का संतुलन वक्र क्लॉसियस-क्लैपेरॉन अंतर समीकरण के समाधान से निर्धारित होता है। इसी तरह, पिघलने और उच्च बनाने की क्रिया वक्र प्राप्त करना संभव है, जो विमान के एक बिंदु पर जुड़े हुए हैं (आर,डी), त्रिगुण बिंदु पर (चित्र 7.1 देखें), जहां कुछ अनुपात में वे बराबर हैं

सभी तीन चरण। पानी का त्रिगुण बिंदु 569.24 Pa के दबाव और -0.0075 डिग्री सेल्सियस के तापमान से मेल खाता है; कार्बन डाइऑक्साइड - 5.18 10 5 पा और 56.6 डिग्री सेल्सियस, क्रमशः। इसलिए, वायुमंडलीय दबाव पर आर, 101.3 kPa के बराबर, कार्बन डाइऑक्साइड ठोस या गैसीय अवस्था में हो सकता है। महत्वपूर्ण तापमान पर, तरल और वाष्प के भौतिक गुण समान हो जाते हैं। महत्वपूर्ण बिंदु से ऊपर के तापमान पर, पदार्थ केवल गैसीय अवस्था में हो सकता है। पानी के लिए - टी = 374.2 डिग्री सेल्सियस, आर= 22.12 एमपीए; क्लोरीन के लिए - क्रमशः 144 डिग्री सेल्सियस और 7.71 एमपीए।

संक्रमण तापमान वह तापमान है जिस पर एक चरण से दूसरे चरण में संक्रमण होता है। वे दबाव पर निर्भर करते हैं, हालांकि अलग-अलग डिग्री के लिए: गलनांक कमजोर होता है, वाष्पीकरण और उच्च बनाने की क्रिया का तापमान अधिक मजबूत होता है। सामान्य और स्थिर दबावों पर, संक्रमण एक निश्चित तापमान पर होता है, और यहाँ पिघलने, उबलने और उच्च बनाने की क्रिया (या उच्च बनाने की क्रिया) बिंदु होते हैं।

एक ठोस अवस्था से सीधे गैसीय अवस्था में पदार्थ का संक्रमण देखा जा सकता है, उदाहरण के लिए, कॉमेटरी टेल के गोले में। जब कोई धूमकेतु सूर्य से दूर होता है, तो उसका लगभग सारा द्रव्यमान उसके नाभिक में केंद्रित होता है, जिसका आकार 10-12 किमी होता है। नाभिक गैस के एक छोटे से खोल से घिरा हुआ है - यह धूमकेतु का सिर है। सूर्य के निकट आने पर धूमकेतु का कोर और खोल गर्म होने लगता है, ऊर्ध्वपातन की संभावना बढ़ जाती है, और ऊर्ध्वपातन (रिवर्स प्रक्रिया) घट जाती है। धूमकेतु के नाभिक से निकलने वाली गैसें ठोस कणों को दूर ले जाती हैं, धूमकेतु का सिर मात्रा में बढ़ जाता है और संरचना में गैस और धूल बन जाता है। कॉमेटरी न्यूक्लियस का दबाव बहुत कम होता है, इसलिए लिक्विड फेज नहीं होता है। सिर के साथ-साथ धूमकेतु की पूंछ भी बढ़ती है, जो सूर्य से दूर फैलती है। कुछ धूमकेतुओं में यह पेरिहेलियन पर करोड़ों किलोमीटर तक पहुँच जाता है, लेकिन हास्य पदार्थ में घनत्व नगण्य होता है। सूर्य के प्रति प्रत्येक दृष्टिकोण के साथ, धूमकेतु अपना अधिकांश द्रव्यमान खो देते हैं, अधिक से अधिक वाष्पशील पदार्थ नाभिक में उदात्त हो जाते हैं, और धीरे-धीरे यह उल्का पिंडों में टूट जाता है जो उल्का वर्षा करते हैं। सौर मंडल के अस्तित्व के 5 अरब वर्षों में, कई धूमकेतुओं ने इस तरह अपना अस्तित्व समाप्त कर लिया।

1986 के वसंत में, स्वचालित सोवियत स्टेशनों "वेगा -1" और "वेगा -2" को हैली के धूमकेतु का अध्ययन करने के लिए अंतरिक्ष में भेजा गया था, जो क्रमशः 9000 और 8200 किमी की दूरी पर और नासा स्टेशन "गियोटो" से गुजरा था। "- धूमकेतु के केन्द्रक से मात्र 600 किमी की दूरी पर। नाभिक का आकार 14 x 7.5 किमी, गहरा रंग और तापमान में लगभग 400 K था। जब अंतरिक्ष स्टेशन धूमकेतु के सिर से होकर गुजरे, तो 1 सेकंड में लगभग 40,000 किलोग्राम बर्फीले पदार्थ ऊपर उठ गए।

देर से शरद ऋतु में, जब गीले मौसम के बाद एक तेज ठंड का प्रकोप होता है, तो कोई पेड़ों की शाखाओं और तारों पर देख सकता है

फ्रॉस्ट desublimated बर्फ क्रिस्टल है। इसी तरह की घटना का उपयोग आइसक्रीम का भंडारण करते समय किया जाता है, जब कार्बन डाइऑक्साइड को ठंडा किया जाता है, क्योंकि भाप में गुजरने वाले अणु ऊर्जा ले जाते हैं। मंगल ग्रह पर, ध्रुवीय टोपी में कार्बन डाइऑक्साइड के उर्ध्वपातन और अपक्षरण की घटनाएं वाष्पीकरण के समान भूमिका निभाती हैं - पृथ्वी के वायुमंडल और जलमंडल में संघनन।

नर्नस्ट की स्थापना के अनुसार, अल्ट्रालो तापमान पर गर्मी क्षमता शून्य हो जाती है। इससे प्लैंक ने दिखाया कि निरपेक्ष शून्य के करीब, सभी प्रक्रियाएं एन्ट्रापी में बदलाव के बिना आगे बढ़ती हैं। कम तापमान पर ठोस पदार्थों की ऊष्मा क्षमता के आइंस्टीन के सिद्धांत ने थर्मोडायनामिक्स के तीसरे नियम के रूप में नर्नस्ट के परिणाम को तैयार करना संभव बना दिया। कम तापमान पर देखे गए पदार्थों के असामान्य गुण - अतिप्रवाह और अतिचालकता - को आधुनिक सिद्धांत में मैक्रोस्कोपिक क्वांटम प्रभाव के रूप में समझाया गया है।

चरण संक्रमण कई प्रकार के होते हैं। एक चरण संक्रमण के दौरान, तापमान नहीं बदलता है, लेकिन सिस्टम का आयतन बदलता है।

पहली तरह के चरण संक्रमणकिसी पदार्थ की समग्र अवस्थाओं में परिवर्तन को कहा जाता है यदि: पूरे संक्रमण के दौरान तापमान स्थिर रहता है; सिस्टम की मात्रा में परिवर्तन; सिस्टम की एन्ट्रापी बदल जाती है। इस तरह के एक चरण संक्रमण होने के लिए, किसी दिए गए द्रव्यमान में परिवर्तन की गुप्त गर्मी के अनुरूप एक निश्चित मात्रा में गर्मी प्रदान करना आवश्यक है।

वास्तव में, अधिक संघनित चरण से कम घनत्व वाले चरण में संक्रमण के दौरान, गर्मी के रूप में एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा प्रदान की जानी चाहिए, जो क्रिस्टल जाली (पिघलने के दौरान) को नष्ट करने या तरल अणुओं को हटाने के लिए जाएगी। एक दूसरे (वाष्पीकरण के दौरान)। परिवर्तन के दौरान, अव्यक्त गर्मी को एकजुट बलों पर काबू पाने के लिए खर्च किया जाता है, थर्मल गति की तीव्रता नहीं बदलती है, परिणामस्वरूप तापमान स्थिर रहता है। इस तरह के एक संक्रमण के साथ, विकार की डिग्री, और इसलिए एन्ट्रापी बढ़ जाती है। यदि प्रक्रिया विपरीत दिशा में जाती है, तो गुप्त ऊष्मा निकलती है।

दूसरे प्रकार के चरण संक्रमणसिस्टम की समरूपता में बदलाव के साथ जुड़ा हुआ है: संक्रमण बिंदु के ऊपर, सिस्टम, एक नियम के रूप में, एक उच्च समरूपता है, जैसा कि एलडी लैंडौ ने 1937 में दिखाया था। उदाहरण के लिए, एक चुंबक में, संक्रमण बिंदु के ऊपर के स्पिन क्षण बेतरतीब ढंग से उन्मुख होते हैं, और एक ही अक्ष के चारों ओर एक ही कोण से सभी स्पिनों के एक साथ घूमने से सिस्टम के गुण नहीं बदलते हैं। संक्रमण बिंदुओं के नीचे, स्पिन में कुछ तरजीही अभिविन्यास होता है, और उनके एक साथ घूमने से सिस्टम के चुंबकीय क्षण की दिशा बदल जाती है। लैंडौ ने ऑर्डरिंग फैक्टर पेश किया और इस गुणांक की शक्तियों में संक्रमण बिंदु पर थर्मोडायनामिक क्षमता का विस्तार किया, जिसके आधार पर उन्होंने सभी संभावित प्रकार के संक्रमणों का वर्गीकरण बनाया।

डोव, साथ ही सुपरफ्लुइडिटी और सुपरकंडक्टिविटी की घटना का सिद्धांत। इस आधार पर, लैंडौ और लाइफशिट्ज़ ने कई महत्वपूर्ण समस्याओं पर विचार किया - एक फेरोइलेक्ट्रिक का एक पैराइलेक्ट्रिक में संक्रमण, एक फेरोमैग्नेट से एक पैरामैग्नेट में संक्रमण, संक्रमण बिंदु पर ध्वनि अवशोषण, धातुओं और मिश्र धातुओं का अतिचालक अवस्था में संक्रमण, आदि।

सांख्यिकीय यांत्रिकी के आधार पर एक प्रणाली के थर्मोडायनामिक गुणों की गणना में सिस्टम के एक विशिष्ट मॉडल का चुनाव शामिल है, और सिस्टम जितना अधिक जटिल होगा, मॉडल उतना ही सरल होना चाहिए। ई। इसिंग ने एक फेरोमैग्नेट (1925) का एक मॉडल प्रस्तावित किया और किसी भी क्षेत्र और तापमान के लिए निकटतम पड़ोसियों के साथ बातचीत को ध्यान में रखते हुए, एक-आयामी श्रृंखला की समस्या को हल किया। गहन बातचीत के साथ कणों की ऐसी प्रणालियों के गणितीय विवरण में, एक सरलीकृत मॉडल चुना जाता है, जब केवल जोड़ी-प्रकार की बातचीत होती है (ऐसे द्वि-आयामी मॉडल को इसिंग जाली कहा जाता है)। लेकिन चरण संक्रमणों की गणना हमेशा नहीं की जाती थी, शायद कई कणों की प्रणालियों के लिए सामान्य कुछ बेहिसाब घटनाओं के कारण, और स्वयं कणों की प्रकृति (तरल कण या चुंबक) कोई फर्क नहीं पड़ता। एल. ऑनसागर ने द्वि-आयामी आइसिंग मॉडल (1944) के लिए एक सटीक समाधान दिया। उन्होंने द्विध्रुवों को जालक नोड्स पर रखा, जो स्वयं को केवल दो तरीकों से उन्मुख कर सकते हैं, और ऐसा प्रत्येक द्विध्रुव केवल अपने पड़ोसी के साथ बातचीत कर सकता है। यह पता चला कि संक्रमण बिंदु पर, संक्रमण बिंदु के दोनों किनारों पर सममित रूप से लॉगरिदमिक कानून के अनुसार गर्मी क्षमता अनंत तक जाती है। बाद में यह पता चला कि यह निष्कर्ष सभी दूसरे क्रम के चरण संक्रमणों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। ऑनसागर के काम से पता चला कि सांख्यिकीय यांत्रिकी की विधि चरण परिवर्तनों के लिए नए परिणाम प्राप्त करना संभव बनाती है।

दूसरे, तीसरे, आदि के चरण संक्रमण। पीढ़ी थर्मोडायनामिक क्षमता के उन डेरिवेटिव के क्रम से संबंधित हैं, जो संक्रमण बिंदु पर परिमित परिवर्तन का अनुभव करते हैं। चरण परिवर्तनों का ऐसा वर्गीकरण सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी पी। एरेनफेस्ट के काम से जुड़ा है। दूसरे क्रम के चरण संक्रमण के मामले में, दूसरे क्रम के डेरिवेटिव का अनुभव संक्रमण बिंदु पर कूदता है: निरंतर दबाव पर गर्मी क्षमता सी पी =, संपीड्यता , गुणांक

थर्मल विस्तार गुणांक, जबकि प्रति-

सभी डेरिवेटिव निरंतर रहते हैं। इसका अर्थ है कि ऊष्मा का कोई विमोचन (अवशोषण) नहीं होता है और विशिष्ट आयतन में कोई परिवर्तन नहीं होता है।

क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत का उपयोग केवल 70 के दशक में कण प्रणालियों की गणना के लिए किया जाने लगा। 20 वीं सदी प्रणाली को एक चर चरण के साथ एक जाली के रूप में माना जाता था, जिससे गणना की सटीकता को बदलना और वास्तविक प्रणाली के विवरण तक पहुंचना और कंप्यूटर का उपयोग करना संभव हो गया। अमेरिकी सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी सी. विल्सन ने गणना की एक नई पद्धति को लागू करने के बाद, सिस्टम की समरूपता के पुनर्व्यवस्था से जुड़े दूसरे क्रम के चरण संक्रमणों को समझने में गुणात्मक छलांग प्राप्त की। वास्तव में, उन्होंने क्वांटम यांत्रिकी को सांख्यिकीय से जोड़ा, और उनके काम को मौलिक प्राप्त हुआ

मानसिक अर्थ। वे दहन प्रक्रियाओं में, और इलेक्ट्रॉनिक्स में, और ब्रह्मांडीय घटनाओं और परमाणु बातचीत के विवरण में लागू होते हैं। विल्सन ने महत्वपूर्ण घटनाओं की एक विस्तृत श्रेणी की जांच की और दूसरे क्रम के चरण संक्रमणों का एक सामान्य सिद्धांत बनाया।

ऊष्मप्रवैगिकी की एक महत्वपूर्ण शाखा किसी पदार्थ के विभिन्न चरणों के बीच परिवर्तनों का अध्ययन है, क्योंकि ये प्रक्रियाएं व्यवहार में होती हैं और कुछ शर्तों के तहत एक प्रणाली के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए मौलिक महत्व की हैं। इन परिवर्तनों को चरण संक्रमण कहा जाता है, जिसके लिए लेख समर्पित है।

एक चरण और एक प्रणाली घटक की अवधारणा

भौतिकी में चरण संक्रमण पर विचार करने से पहले, चरण की अवधारणा को ही परिभाषित करना आवश्यक है। जैसा कि सामान्य भौतिकी के पाठ्यक्रम से जाना जाता है, पदार्थ की तीन अवस्थाएँ होती हैं: गैसीय, ठोस और तरल। विज्ञान के एक विशेष खंड में - ऊष्मप्रवैगिकी में - नियम पदार्थ के चरणों के लिए तैयार किए जाते हैं, न कि उनके एकत्रीकरण के राज्यों के लिए। एक चरण को पदार्थ की एक निश्चित मात्रा के रूप में समझा जाता है जिसमें एक सजातीय संरचना होती है, जो विशिष्ट भौतिक और रासायनिक गुणों की विशेषता होती है और शेष पदार्थ से सीमाओं से अलग होती है, जिसे इंटरफेज़ कहा जाता है।

इस प्रकार, "चरण" की अवधारणा में इसके एकत्रीकरण की स्थिति की तुलना में पदार्थ के गुणों के बारे में अधिक व्यावहारिक रूप से महत्वपूर्ण जानकारी होती है। उदाहरण के लिए, लोहे जैसी धातु की ठोस अवस्था निम्न चरणों में हो सकती है: निम्न तापमान चुंबकीय शरीर केंद्रित घन (बीसीसी), कम तापमान गैर चुंबकीय बीसीसी, चेहरा केंद्रित घन (एफसीसी), और उच्च तापमान गैर चुंबकीय बीसीसी।

"चरण" की अवधारणा के अलावा, ऊष्मप्रवैगिकी के नियम "घटक" शब्द का भी उपयोग करते हैं, जिसका अर्थ है कि एक विशेष प्रणाली बनाने वाले रासायनिक तत्वों की संख्या। इसका मतलब है कि चरण मोनोकंपोनेंट (1 रासायनिक तत्व) और मल्टीकंपोनेंट (कई रासायनिक तत्व) दोनों हो सकता है।

गिब्स प्रमेय और एक प्रणाली के चरणों के बीच संतुलन

चरण संक्रमणों को समझने के लिए, उनके बीच संतुलन की स्थिति को जानना आवश्यक है। इन शर्तों को गणितीय रूप से उनमें से प्रत्येक के लिए गिब्स समीकरणों की प्रणाली को हल करके प्राप्त किया जा सकता है, यह मानते हुए कि संतुलन की स्थिति तब तक पहुंच जाती है जब बाहरी प्रभाव से पृथक सिस्टम की कुल गिब्स ऊर्जा बदलना बंद हो जाती है।

समीकरणों की इस प्रणाली को हल करने के परिणामस्वरूप, कई चरणों के बीच संतुलन के अस्तित्व के लिए स्थितियां प्राप्त होती हैं: एक पृथक प्रणाली केवल तभी विकसित होगी जब प्रत्येक घटक के दबाव, रासायनिक क्षमता और सभी चरणों में तापमान एक दूसरे के बराबर हों।

संतुलन के लिए गिब्स चरण नियम

कई चरणों और घटकों से युक्त एक प्रणाली न केवल कुछ शर्तों के तहत संतुलन में हो सकती है, उदाहरण के लिए, एक विशिष्ट तापमान और दबाव पर। संतुलन के लिए गिब्स प्रमेय में कुछ चर को चरणों की संख्या और इस संतुलन में मौजूद घटकों की संख्या दोनों को बनाए रखते हुए बदला जा सकता है। प्रणाली में संतुलन को बिगाड़े बिना चरों की संख्या को बदला जा सकता है, इस प्रणाली की स्वतंत्रता की संख्या कहलाती है।

f चरणों और k घटकों से युक्त प्रणाली की स्वतंत्रता l की संख्या विशिष्ट रूप से गिब्स चरण नियम से निर्धारित होती है। यह नियम गणितीय रूप से इस प्रकार लिखा गया है: l + f = k + 2. इस नियम के साथ कैसे कार्य करें? बहुत आसान। उदाहरण के लिए, यह ज्ञात है कि प्रणाली में f=3 संतुलन चरण होते हैं। ऐसी प्रणाली में कम से कम कितने घटक हो सकते हैं? आप इस प्रश्न का उत्तर निम्न प्रकार से तर्क द्वारा दे सकते हैं: संतुलन के मामले में, सबसे कठोर स्थितियां तब मौजूद होती हैं जब इसे केवल कुछ संकेतकों पर महसूस किया जाता है, अर्थात, किसी भी थर्मोडायनामिक पैरामीटर में बदलाव से असंतुलन होगा। इसका मतलब है कि स्वतंत्रता की संख्या एल = 0। एल और एफ के ज्ञात मूल्यों को प्रतिस्थापित करते हुए, हम के = 1 प्राप्त करते हैं, अर्थात, एक प्रणाली जिसमें तीन चरण संतुलन में हैं, में एक घटक शामिल हो सकता है। एक उल्लेखनीय उदाहरण पानी का त्रिगुण बिंदु है, जब बर्फ, तरल पानी और भाप विशिष्ट तापमान और दबाव पर संतुलन में मौजूद होते हैं।

चरण परिवर्तनों का वर्गीकरण

यदि आप एक ऐसी प्रणाली में कुछ बदलना शुरू करते हैं जो संतुलन में है, तो आप देख सकते हैं कि कैसे एक चरण गायब हो जाएगा, और दूसरा दिखाई देगा। इस प्रक्रिया का एक सरल उदाहरण बर्फ को गर्म करने पर पिघलना है।

यह देखते हुए कि गिब्स समीकरण केवल दो चर (दबाव और तापमान) पर निर्भर करता है, और एक चरण संक्रमण में इन चरों में परिवर्तन शामिल होता है, तो गणितीय रूप से चरणों के बीच संक्रमण को इसके चर के संबंध में गिब्स ऊर्जा को अलग करके वर्णित किया जा सकता है। यह वह दृष्टिकोण था जिसका उपयोग ऑस्ट्रियाई भौतिक विज्ञानी पॉल एरेनफेस्ट ने 1933 में किया था, जब उन्होंने चरण संतुलन में बदलाव के साथ होने वाली सभी ज्ञात थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं का एक वर्गीकरण संकलित किया था।

ऊष्मप्रवैगिकी की मूल बातें से यह निम्नानुसार है कि तापमान के संबंध में गिब्स ऊर्जा का पहला व्युत्पन्न प्रणाली के एन्ट्रापी में परिवर्तन के बराबर है। दबाव के संबंध में गिब्स ऊर्जा का व्युत्पन्न आयतन में परिवर्तन के बराबर है। यदि, जब सिस्टम में चरण बदलते हैं, एन्ट्रापी या वॉल्यूम में विराम होता है, अर्थात वे तेजी से बदलते हैं, तो वे पहले क्रम के चरण संक्रमण की बात करते हैं।

इसके अलावा, तापमान और दबाव के संबंध में गिब्स ऊर्जा का दूसरा व्युत्पन्न क्रमशः ताप क्षमता और वॉल्यूमेट्रिक विस्तार का गुणांक है। यदि चरणों के बीच परिवर्तन संकेतित भौतिक मात्राओं के मूल्यों में एक असंततता के साथ होता है, तो एक दूसरे क्रम के चरण संक्रमण की बात करता है।

चरणों के बीच परिवर्तन के उदाहरण

प्रकृति में विभिन्न संक्रमणों की एक बड़ी संख्या है। इस वर्गीकरण के ढांचे के भीतर, पहली तरह के संक्रमणों के हड़ताली उदाहरण धातुओं के पिघलने या हवा से जल वाष्प के संघनन की प्रक्रियाएं हैं, जब सिस्टम में मात्रा में उछाल होता है।

यदि हम दूसरे प्रकार के संक्रमणों के बारे में बात करते हैं, तो हड़ताली उदाहरण 768 C के तापमान पर एक चुंबकीय से एक अनुचुंबकीय अवस्था में लोहे के परिवर्तन या एक धातु कंडक्टर के एक अतिचालक राज्य में पूर्ण शून्य के करीब तापमान पर परिवर्तन होते हैं।

समीकरण जो पहली तरह के संक्रमणों का वर्णन करते हैं

व्यवहार में, अक्सर यह जानना आवश्यक होता है कि किसी सिस्टम में चरण परिवर्तन होने पर तापमान, दबाव और अवशोषित (मुक्त) ऊर्जा कैसे बदलती है। इस उद्देश्य के लिए दो महत्वपूर्ण समीकरणों का उपयोग किया जाता है। वे ऊष्मप्रवैगिकी की मूल बातों के ज्ञान के आधार पर प्राप्त किए जाते हैं:

1. क्लैपेरॉन का सूत्र, जो विभिन्न चरणों के बीच परिवर्तन के दौरान दबाव और तापमान के बीच संबंध स्थापित करता है।
2. क्लॉसियस सूत्र, जो परिवर्तन के दौरान अवशोषित (जारी) ऊर्जा और सिस्टम के तापमान से संबंधित है।

दोनों समीकरणों का उपयोग न केवल भौतिक मात्राओं की मात्रात्मक निर्भरता प्राप्त करने में है, बल्कि चरण आरेखों में संतुलन वक्रों के ढलान के संकेत को निर्धारित करने में भी है।

दूसरी तरह के संक्रमणों का वर्णन करने के लिए समीकरण

पहली और दूसरी तरह के चरण संक्रमणों का वर्णन विभिन्न समीकरणों द्वारा किया जाता है, क्योंकि दूसरी तरह के संक्रमणों के लिए और क्लॉसियस का उपयोग गणितीय अनिश्चितता की ओर जाता है।

उत्तरार्द्ध का वर्णन करने के लिए, एरेनफेस्ट समीकरणों का उपयोग किया जाता है, जो परिवर्तन प्रक्रिया के दौरान ताप क्षमता में परिवर्तन और वॉल्यूमेट्रिक विस्तार के गुणांक के ज्ञान के माध्यम से दबाव और तापमान में परिवर्तन के बीच संबंध स्थापित करते हैं। चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति में कंडक्टर-सुपरकंडक्टर संक्रमणों का वर्णन करने के लिए एरेनफेस्ट समीकरणों का उपयोग किया जाता है।

चरण आरेखों का महत्व

चरण आरेख उन क्षेत्रों का एक ग्राफिक प्रतिनिधित्व है जिसमें संबंधित चरण संतुलन में मौजूद हैं। इन क्षेत्रों को चरणों के बीच संतुलन रेखाओं द्वारा अलग किया जाता है। P-T (दबाव-तापमान), T-V (तापमान-मात्रा) और P-V (दबाव-मात्रा) कुल्हाड़ियों का अक्सर उपयोग किया जाता है।

चरण आरेखों का महत्व इस तथ्य में निहित है कि वे आपको यह अनुमान लगाने की अनुमति देते हैं कि जब बाहरी स्थितियां तदनुसार बदलती हैं तो सिस्टम किस चरण में होगा। वांछित गुणों वाली संरचना प्राप्त करने के लिए इस जानकारी का उपयोग विभिन्न सामग्रियों के ताप उपचार में किया जाता है।