27. Struktur dan sifat besi; diagram fase besi-karbon metastabil dan stabil. Pembentukan struktur baja karbon. Penentuan kandungan karbon dalam baja berdasarkan struktur Paduan besi-karbon adalah logam yang paling umum

Pengantar.

Fasa disebut bagian homogen yang berbeda dari sistem fisika-kimia. Suatu zat dikatakan homogen ketika semua parameter keadaan zat itu sama dalam semua volumenya, yang dimensinya lebih besar dibandingkan dengan keadaan antar atom. Campuran gas yang berbeda selalu membentuk satu fase jika mereka berada dalam konsentrasi yang sama di seluruh volume.

Zat yang sama, tergantung pada kondisi eksternal, dapat berada di salah satu dari tiga keadaan agregasi - cair, padat atau gas. Tergantung pada kondisi eksternal, itu bisa dalam satu fase, atau dalam beberapa fase sekaligus. Di alam sekitar kita, kita terutama sering mengamati transisi fase air. Contoh : evaporasi, kondensasi. Ada kondisi tekanan dan suhu di mana zat berada dalam kesetimbangan dalam fase yang berbeda. Misalnya, ketika mencairkan gas dalam keadaan kesetimbangan fase, volumenya bisa apa saja, dan suhu transisi terkait dengan tekanan uap jenuh. Suhu di mana transisi dari satu fase ke fase lain terjadi disebut suhu transisi. Mereka bergantung pada tekanan, meskipun pada tingkat yang berbeda: titik leleh lebih lemah, suhu penguapan dan sublimasi lebih kuat. Pada tekanan normal dan konstan, transisi terjadi pada suhu tertentu, dan di sini terjadi pelelehan, pendidihan, dan sublimasi (atau sublimasi). Sublimasi adalah transisi suatu zat dari padat ke keadaan gas, yang dapat diamati, misalnya, di cangkang ekor komet. Ketika sebuah komet jauh dari matahari, hampir semua massanya terkonsentrasi di intinya, yang berukuran 10-12 kilometer. Inti yang dikelilingi oleh cangkang kecil gas disebut kepala komet. Saat mendekati Matahari, inti dan cangkang komet mulai memanas, kemungkinan sublimasi meningkat, dan desublimasi berkurang. Gas-gas yang keluar dari inti komet membawa partikel padat bersama mereka, volume kepala komet meningkat dan menjadi gas dan komposisinya berdebu.

Fase transisi jenis pertama dan kedua.

Transisi fase terdiri dari beberapa jenis. Perubahan wujud agregat suatu zat disebut transisi fase orde satu jika:

1) Suhu konstan selama seluruh transisi.

2) Volume sistem berubah.

3) Entropi sistem berubah.

Agar transisi fase seperti itu terjadi, massa zat tertentu perlu menyarungkan sejumlah panas tertentu yang sesuai dengan panas laten transformasi. Memang, selama transisi fase kental ke fase dengan kepadatan lebih rendah, sejumlah energi harus diberikan dalam bentuk panas, yang akan menghancurkan kisi kristal (selama peleburan) atau untuk menghilangkan molekul cair dari masing-masing. lainnya (selama penguapan). Selama transformasi, panas laten akan menuju transformasi gaya kohesif, intensitas gerak termal tidak akan berubah, akibatnya suhu akan tetap konstan. Dengan transisi seperti itu, tingkat ketidakteraturan, dan karenanya entropi, meningkat. Jika proses berjalan dalam arah yang berlawanan, maka panas laten dilepaskan. Fase transisi jenis pertama meliputi: transformasi dari padatan menjadi cair (mencair) dan proses sebaliknya (kristalisasi), cair menjadi uap (penguapan, pendidihan). Satu modifikasi kristal - ke yang lain (transformasi polimorfik). Transisi fase jenis kedua meliputi: transisi konduktor normal ke keadaan superkonduktor, helium-1 ke helium-2 superfluida, feromagnet ke paramagnet. Logam seperti besi, kobalt, nikel, dan gadolinium menonjol karena kemampuannya untuk termagnetisasi tinggi dan mempertahankan keadaan magnetisasi untuk waktu yang lama. Mereka disebut feromagnet. Sebagian besar logam (logam alkali dan alkali tanah dan sebagian besar logam transisi) termagnetisasi lemah dan tidak mempertahankan keadaan ini di luar medan magnet - ini adalah paramagnet. Transisi fase jenis kedua, ketiga, dan seterusnya dikaitkan dengan urutan turunan potensial termodinamika? f, yang mengalami pengukuran hingga pada titik transisi. Klasifikasi transformasi fase seperti itu dikaitkan dengan pekerjaan teori fisikawan Paul Ernest (1880 -1933). Jadi, dalam kasus transisi fase orde kedua, turunan orde kedua mengalami lompatan pada titik transisi: kapasitas panas pada tekanan konstan ?p 2), koefisien ekspansi termal b \u003d (1 / V 0) (? 2 f /? Tp), sedangkan turunan pertama tetap kontinu. Ini berarti bahwa tidak ada pelepasan (penyerapan) panas dan tidak ada perubahan volume spesifik (φ - potensial termodinamika).

Keadaan kesetimbangan fasa dicirikan oleh hubungan tertentu antara suhu dan tekanan transformasi fasa. Secara numerik, ketergantungan untuk transisi fase ini diberikan oleh persamaan Clausius-Clapeyron: p/T=q/TV. Penelitian pada suhu rendah adalah cabang fisika yang sangat penting. Faktanya adalah bahwa dengan cara ini dimungkinkan untuk menghilangkan gangguan yang terkait dengan gerakan termal yang kacau dan mempelajari fenomena dalam bentuk "murni". Ini sangat penting dalam studi keteraturan kuantum. Biasanya, karena gerakan termal yang kacau, kuantitas fisik dirata-ratakan pada sejumlah besar nilai yang berbeda, dan lompatan kuantum "dicoreng".

Suhu rendah (suhu kriogenik), dalam fisika dan teknologi kriogenik, kisaran suhu di bawah 120°K (0 °C=273°K); karya Carnot (ia bekerja pada mesin panas) dan Clausius meletakkan dasar untuk penelitian tentang sifat-sifat gas dan uap, atau termodinamika teknis. Pada tahun 1850, Clausius memperhatikan bahwa uap air jenuh sebagian mengembun selama ekspansi dan menjadi super panas selama kompresi. Renu memberikan kontribusi khusus untuk pengembangan disiplin ilmu ini. Volume intrinsik molekul gas pada suhu kamar kira-kira seperseribu volume yang ditempati oleh gas. Selain itu, molekul-molekul tertarik satu sama lain pada jarak yang lebih besar daripada jarak dari mana tolakan mereka dimulai.

Fasa adalah keadaan kesetimbangan termodinamika suatu zat yang berbeda dalam sifat fisik dari kemungkinan keadaan kesetimbangan lain dari zat yang sama. Jika, misalnya, ada air dalam bejana tertutup, maka sistem ini adalah: dua fase: fase cair - air; fase gas - campuran udara dan uap air. Jika potongan es dilemparkan ke dalam air, maka sistem ini akan menjadi tiga fase, di mana es adalah fase padat. Seringkali konsep "fase" digunakan dalam pengertian keadaan agregasi, tetapi harus diingat bahwa itu lebih luas daripada konsep "keadaan agregat". Dalam satu keadaan agregasi, suatu zat dapat berada dalam beberapa fase yang berbeda dalam sifat, komposisi, dan strukturnya (es, misalnya, terjadi dalam lima modifikasi berbeda - fase). Transisi suatu zat dari satu fase ke fase lainnya - transisi fase - selalu dikaitkan dengan perubahan kualitatif dalam sifat-sifat zat tersebut. Contoh transisi fase dapat berupa perubahan keadaan agregat suatu zat atau transisi yang terkait dengan perubahan komposisi, struktur, dan sifat suatu zat (misalnya, transisi zat kristal dari satu modifikasi ke modifikasi lainnya).

Ada dua jenis transisi fase. Transisi fase jenis pertama (misalnya, peleburan, kristalisasi, dll.) disertai dengan penyerapan atau pelepasan panas, yang disebut panas transisi fase. Transisi fase jenis pertama dicirikan oleh keteguhan suhu, perubahan entropi dan volume. Penjelasan untuk ini dapat diberikan sebagai berikut. Misalnya, selama peleburan, sejumlah panas harus diberikan ke tubuh untuk menyebabkan penghancuran kisi kristal. Panas yang diberikan selama peleburan tidak digunakan untuk memanaskan benda, tetapi untuk memutuskan ikatan antar atom, sehingga peleburan berlangsung pada suhu konstan. Dalam transisi seperti itu - dari keadaan kristal yang lebih teratur ke keadaan cair yang kurang teratur - tingkat ketidakteraturan meningkat, yaitu, menurut hukum kedua termodinamika, proses ini dikaitkan dengan peningkatan entropi sistem. Jika transisi terjadi dalam arah yang berlawanan (kristalisasi), maka sistem melepaskan panas.

Transisi fase yang tidak berhubungan dengan penyerapan atau pelepasan kalor dan perubahan volume disebut transisi fase orde kedua. Transisi ini dicirikan oleh volume dan entropi yang konstan, tetapi perubahan mendadak dalam kapasitas panas. Interpretasi umum transisi fase jenis kedua diusulkan oleh Akademisi L. D. Landau (1908-1968). Menurut interpretasi ini, transisi fase orde kedua dikaitkan dengan perubahan simetri: di atas titik transisi, sistem, sebagai aturan, memiliki simetri yang lebih tinggi daripada di bawah titik transisi. Contoh transisi fase jenis kedua adalah: transisi zat feromagnetik (besi, nikel) pada tekanan dan suhu tertentu ke keadaan paramagnetik; transisi logam dan beberapa paduan pada suhu mendekati 0 K ke keadaan superkonduktor, ditandai dengan penurunan tiba-tiba hambatan listrik ke nol; transformasi helium cair biasa (helium I) pada T=2.9K menjadi cairan modifikasi lain (helium II) dengan sifat superfluiditas.

Fase- ini adalah berbagai bagian homogen dari sistem fisiko-kimia. Suatu zat homogen ketika semua parameter keadaan zat adalah sama di semua volume dasarnya, yang dimensinya lebih besar dibandingkan dengan keadaan antar atom. Campuran gas yang berbeda selalu membentuk satu fase jika mereka berada dalam konsentrasi yang sama di seluruh volume. Zat yang sama, tergantung pada kondisi eksternal, dapat berada di salah satu dari tiga keadaan agregasi - cair, padat atau gas. Fase adalah keadaan stabil dari keadaan agregasi tertentu. Konsep fase lebih luas daripada konsep keadaan agregat.

Tergantung pada kondisi eksternal, sistem dapat berada dalam kesetimbangan baik dalam satu fase atau dalam beberapa fase sekaligus. Keberadaan keseimbangan mereka disebut keseimbangan fase.

Penguapan dan kondensasi - transisi fase air yang sering diamati di lingkungan alami. Ketika air masuk ke uap, penguapan pertama terjadi - transisi lapisan permukaan cairan menjadi uap, sementara hanya molekul tercepat yang masuk ke uap: mereka harus mengatasi daya tarik molekul di sekitarnya, oleh karena itu energi kinetik rata-rata mereka dan, karenanya, suhu cairan menurun. Diamati dalam kehidupan sehari-hari dan proses sebaliknya - kondensasi. Kedua proses ini bergantung pada kondisi eksternal. Dalam beberapa kasus, keseimbangan dinamis terbentuk di antara mereka, ketika jumlah molekul yang meninggalkan cairan menjadi sama dengan jumlah molekul yang kembali ke cairan. Molekul-molekul dalam zat cair terikat oleh gaya tarik menarik yang menahannya di dalam zat cair. Jika molekul dengan kecepatan yang melebihi rata-rata berada di dekat permukaan, mereka dapat meninggalkannya. Kemudian kecepatan rata-rata molekul yang tersisa akan berkurang dan suhu cairan akan menurun. Untuk penguapan pada suhu konstan, sejumlah panas harus diberikan ke cairan: Q= rt, di mana r adalah panas spesifik penguapan, yang menurun dengan meningkatnya suhu. Pada suhu kamar, untuk satu molekul air, kalor penguapan adalah 10 -20 J, sedangkan energi rata-rata gerak termal adalah 6,06 10 -21 J. Ini berarti bahwa

molekul dengan energi yang 10 kali energi gerak termal. Ketika melewati permukaan cairan, energi potensial dari molekul cepat meningkat, sedangkan energi kinetik berkurang. Oleh karena itu, energi kinetik rata-rata molekul uap dan cairan pada kesetimbangan termal adalah sama.

Uap jenuh - itu adalah uap dalam kesetimbangan dinamis, sesuai dengan suhu tertentu, dengan cairannya. Pengalaman menunjukkan bahwa ia tidak mematuhi hukum Boyle-Mariotte, karena tekanannya tidak bergantung pada volume. Tekanan uap jenuh adalah tekanan tertinggi yang dapat dimiliki uap pada suhu tertentu. Proses penguapan dan kondensasi air menyebabkan interaksi kompleks antara atmosfer dan hidrosfer, yang penting untuk pembentukan cuaca dan iklim. Ada pertukaran materi (siklus air) dan energi yang berkelanjutan antara atmosfer dan hidrosfer.

Penelitian telah menunjukkan bahwa sekitar 7.000 km 3 air menguap dari permukaan Samudra Dunia, yang merupakan 94% dari hidrosfer bumi, dan jumlah yang hampir sama jatuh sebagai presipitasi. Uap air, terbawa oleh gerakan konveksi udara, naik dan memasuki lapisan troposfer yang dingin. Saat naik, uap menjadi lebih dan lebih jenuh, kemudian mengembun membentuk tetesan hujan. Dalam proses kondensasi uap di troposfer, sekitar 1,6-10 22 J panas dilepaskan per hari, yang puluhan ribu kali lebih besar daripada energi yang dihasilkan manusia dalam waktu yang sama.

Mendidih- proses peralihan zat cair menjadi uap sebagai akibat munculnya gelembung-gelembung berisi uap. Mendidih terjadi di seluruh volume. Pecahnya gelembung-gelembung di permukaan cairan mendidih menunjukkan bahwa tekanan uap di dalamnya melebihi tekanan di atas permukaan cairan. Pada suhu 100 °C, tekanan uap jenuh sama dengan tekanan udara di atas permukaan cairan (ini adalah bagaimana titik skala ini dipilih). Pada ketinggian 5 km, tekanan udara setengahnya dan air mendidih di sana pada 82 ° C, dan di perbatasan troposfer (17 km) - pada sekitar 65 ° C. Oleh karena itu, titik didih cairan sesuai dengan suhu di mana tekanan uap jenuhnya sama dengan tekanan eksternal. Medan gravitasi Bulan yang lemah (percepatan gravitasi di dekat permukaannya hanya 1,7 m/s 2) tidak mampu menahan atmosfer, dan tanpa adanya tekanan atmosfer, cairan tersebut langsung mendidih, sehingga "laut" bulan berada tanpa air dan dibentuk oleh lava yang memadat. Untuk alasan yang sama, "saluran" Mars juga tidak memiliki air.

Suatu zat dapat berada dalam kesetimbangan dan dalam fase yang berbeda. Jadi, ketika mencairkan gas dalam keadaan kesetimbangan fase, volumenya bisa apa saja, dan suhu transisi terkait dengan tekanan uap jenuh. Kurva kesetimbangan fase dapat diperoleh dengan memproyeksikan ke bidang (p, t) daerah transisi ke keadaan cair. Secara analitis, kurva kesetimbangan dua fase ditentukan dari solusi persamaan diferensial Clausius-Clapeyron. Demikian pula, dimungkinkan untuk mendapatkan kurva leleh dan sublimasi, yang terhubung pada satu titik bidang (R, D), pada titik rangkap tiga (lihat Gambar 7.1), di mana dalam proporsi tertentu mereka sama

semua tiga fase. Titik tripel air sesuai dengan tekanan 569,24 Pa dan suhu -0,0075 °C; karbon dioksida - 5,18 10 5 Pa dan 56,6 ° C, masing-masing. Oleh karena itu, pada tekanan atmosfer R, sama dengan 101,3 kPa, karbon dioksida dapat berbentuk padat atau gas. Pada suhu kritis, sifat fisik cairan dan uap menjadi sama. Pada suhu di atas titik kritis, zat hanya dapat berada dalam keadaan gas. Untuk air - T= 374.2 °С, R= 22,12 MPa; untuk klorin - masing-masing 144 ° C dan 7,71 MPa.

Suhu transisi adalah suhu di mana transisi dari satu fase ke fase lain terjadi. Mereka bergantung pada tekanan, meskipun pada tingkat yang berbeda: titik leleh lebih lemah, suhu penguapan dan sublimasi lebih kuat. Pada tekanan normal dan konstan, transisi terjadi pada nilai suhu tertentu, dan di sini terjadi titik leleh, titik didih dan sublimasi (atau sublimasi).

Transisi materi dari wujud padat langsung ke wujud gas dapat diamati, misalnya, pada cangkang ekor komet. Ketika sebuah komet berada jauh dari Matahari, hampir seluruh massanya terkonsentrasi di intinya, yang berukuran 10-12 km. Nukleus dikelilingi oleh cangkang kecil gas - ini adalah kepala komet. Saat mendekati Matahari, inti dan kulit komet mulai memanas, kemungkinan sublimasi meningkat, dan desublimasi (proses sebaliknya) berkurang. Gas-gas yang keluar dari inti komet membawa partikel padat, volume kepala komet meningkat dan menjadi komposisi gas dan debu. Tekanan inti komet sangat rendah, sehingga fase cair tidak terjadi. Seiring dengan kepala, ekor komet juga tumbuh, yang membentang menjauhi Matahari. Di beberapa komet, ia mencapai ratusan juta kilometer di perihelion, tetapi kepadatan materi komet dapat diabaikan. Dengan setiap pendekatan ke Matahari, komet kehilangan sebagian besar massanya, semakin banyak zat yang mudah menguap menyublim di nukleus, dan secara bertahap hancur menjadi badan meteor yang membentuk hujan meteor. Selama 5 miliar tahun keberadaan tata surya, banyak komet mengakhiri keberadaannya dengan cara ini.

Pada musim semi 1986, stasiun Soviet otomatis "Vega-1" dan "Vega-2" dikirim ke luar angkasa untuk mempelajari komet Halley, yang masing-masing lewat pada jarak 9000 dan 8200 km darinya, dan stasiun NASA "Giotto". " - pada jarak hanya 600 km dari inti komet. Inti komet berukuran 14 x 7,5 km, berwarna gelap dan bersuhu sekitar 400 K. Ketika stasiun luar angkasa melewati kepala komet, sekitar 40.000 kg materi es menyublim dalam 1 detik.

Di akhir musim gugur, ketika hawa dingin yang tajam terjadi setelah cuaca basah, orang dapat mengamati cabang-cabang pohon dan kabel

es adalah kristal es yang mengalami desublimasi. Fenomena serupa digunakan saat menyimpan es krim, ketika karbon dioksida didinginkan, karena molekul yang masuk ke dalam uap membawa energi. Di Mars, fenomena sublimasi dan desublimasi karbon dioksida di kutub memainkan peran yang sama dengan penguapan - kondensasi di atmosfer dan hidrosfer Bumi.

Kapasitas panas cenderung nol pada suhu sangat rendah, seperti yang ditetapkan Nernst. Dari sini, Planck menunjukkan bahwa mendekati nol mutlak, semua proses berlangsung tanpa perubahan entropi. Teori Einstein tentang kapasitas panas zat padat pada suhu rendah memungkinkan untuk merumuskan hasil Nernst sebagai hukum ketiga termodinamika. Sifat yang tidak biasa dari zat yang diamati pada suhu rendah - superfluiditas dan superkonduktivitas - telah dijelaskan dalam teori modern sebagai efek kuantum makroskopik.

Transisi fase terdiri dari beberapa jenis. Selama transisi fase, suhu tidak berubah, tetapi volume sistem berubah.

Transisi fase jenis pertama perubahan keadaan agregat suatu zat disebut jika: suhu konstan selama seluruh transisi; volume sistem berubah; entropi sistem berubah. Agar transisi fase seperti itu terjadi, perlu untuk memberikan sejumlah panas tertentu ke massa zat tertentu, sesuai dengan panas laten transformasi.

Memang, selama transisi dari fase yang lebih kental ke fase dengan kepadatan yang lebih rendah, sejumlah energi harus diberikan dalam bentuk panas, yang akan menghancurkan kisi kristal (selama peleburan) atau untuk menghilangkan molekul cair dari satu sama lain (selama penguapan). Selama transformasi, panas laten dikeluarkan untuk mengatasi gaya kohesif, intensitas gerak termal tidak berubah, akibatnya suhu tetap konstan. Dengan transisi seperti itu, tingkat ketidakteraturan, dan karenanya entropi, meningkat. Jika proses berjalan dalam arah yang berlawanan, maka panas laten dilepaskan.

Transisi fase jenis kedua terkait dengan perubahan simetri sistem: di atas titik transisi, sistem, sebagai aturan, memiliki simetri yang lebih tinggi, seperti yang ditunjukkan L.D. Landau pada tahun 1937. Misalnya, dalam magnet, momen putaran di atas titik transisi diorientasikan secara acak, dan rotasi simultan semua putaran di sekitar sumbu yang sama dengan sudut yang sama tidak mengubah sifat sistem. Di bawah titik transisi, spin memiliki beberapa orientasi preferensial, dan rotasi simultannya mengubah arah momen magnetik sistem. Landau memperkenalkan faktor pemesanan dan memperluas potensi termodinamika pada titik transisi dalam pangkat koefisien ini, atas dasar itu ia membangun klasifikasi semua jenis transisi yang mungkin.

Dov, serta teori fenomena superfluiditas dan superkonduktivitas. Atas dasar ini, Landau dan Lifshitz mempertimbangkan banyak masalah penting - transisi feroelektrik ke paraelektrik, feromagnet ke paramagnet, penyerapan suara pada titik transisi, transisi logam dan paduan ke keadaan superkonduktor, dll.

Perhitungan sifat termodinamika suatu sistem berdasarkan mekanika statistik melibatkan pilihan model sistem tertentu, dan semakin kompleks sistem, semakin sederhana modelnya. E. Ising mengusulkan model feromagnet (1925) dan memecahkan masalah rantai satu dimensi, dengan mempertimbangkan interaksi dengan tetangga terdekat untuk medan dan suhu apa pun. Dalam deskripsi matematis dari sistem partikel semacam itu dengan interaksi intens, model yang disederhanakan dipilih, ketika hanya interaksi tipe-pasangan yang terjadi (model dua dimensi seperti itu disebut kisi Ising). Tetapi transisi fase tidak selalu dihitung, mungkin karena beberapa fenomena yang tidak terhitung yang umum pada sistem banyak partikel, dan sifat partikel itu sendiri (partikel cair atau magnet) tidak menjadi masalah. L. Onsager memberikan solusi eksak untuk model Ising dua dimensi (1944). Dia menempatkan dipol pada simpul kisi, yang dapat mengorientasikan diri hanya dalam dua cara, dan masing-masing dipol tersebut hanya dapat berinteraksi dengan tetangganya. Ternyata pada titik transisi, kapasitas panas menjadi tak terhingga sesuai dengan hukum logaritmik secara simetris di kedua sisi titik transisi. Belakangan ternyata kesimpulan ini sangat penting untuk semua transisi fase orde dua. Karya Onsager menunjukkan bahwa metode mekanika statistik memungkinkan untuk memperoleh hasil baru untuk transformasi fase.

Transisi fase kedua, ketiga, dst. genera terkait dengan urutan turunan dari potensial termodinamika , yang mengalami perubahan terbatas pada titik transisi. Klasifikasi transformasi fase semacam itu dikaitkan dengan karya fisikawan teoretis P. Ehrenfest. Dalam kasus transisi fase orde kedua, turunan orde kedua mengalami lompatan pada titik transisi: kapasitas panas pada tekanan konstan Cp =, kompresibilitas , koefisien

koefisien ekspansi termal, sedangkan per-

semua turunan tetap kontinu. Artinya tidak ada pelepasan (penyerapan) kalor dan tidak ada perubahan volume spesifik.

Teori medan kuantum mulai digunakan untuk perhitungan sistem partikel hanya pada tahun 70-an. abad ke-20 Sistem dianggap sebagai kisi dengan langkah variabel, yang memungkinkan untuk mengubah keakuratan perhitungan dan mendekati deskripsi sistem nyata dan menggunakan komputer. Fisikawan teoretis Amerika C. Wilson, setelah menerapkan metode perhitungan baru, menerima lompatan kualitatif dalam pemahaman transisi fase orde kedua yang terkait dengan penataan ulang simetri sistem. Bahkan, dia menghubungkan mekanika kuantum dengan statistik, dan karyanya mendapat sambutan fundamental

makna mental. Mereka berlaku dalam proses pembakaran, dan dalam elektronik, dan dalam deskripsi fenomena kosmik dan interaksi nuklir. Wilson menyelidiki kelas luas fenomena kritis dan menciptakan teori umum transisi fase orde kedua.

Cabang penting termodinamika adalah studi tentang transformasi antara fase yang berbeda dari suatu zat, karena proses ini terjadi dalam praktik dan sangat penting untuk memprediksi perilaku sistem dalam kondisi tertentu. Transformasi ini disebut transisi fase, yang didedikasikan untuk artikel tersebut.

Konsep fase dan komponen sistem

Sebelum melanjutkan ke pembahasan transisi fase dalam fisika, perlu untuk mendefinisikan konsep fase itu sendiri. Seperti diketahui dari kursus fisika umum, ada tiga keadaan materi: gas, padat dan cair. Dalam bagian khusus ilmu pengetahuan - dalam termodinamika - hukum dirumuskan untuk fase materi, dan bukan untuk keadaan agregasinya. Fase dipahami sebagai volume materi tertentu yang memiliki struktur homogen, dicirikan oleh sifat fisik dan kimia tertentu dan dipisahkan dari materi lainnya oleh batas, yang disebut interfase.

Dengan demikian, konsep "fase" membawa informasi yang jauh lebih signifikan secara praktis tentang sifat-sifat materi daripada keadaan agregasinya. Sebagai contoh, keadaan padat dari logam seperti besi mungkin dalam fase berikut: suhu rendah magnetic body centered cubic (BCC), bcc nonmagnetik suhu rendah, kubus berpusat muka (fcc), dan bcc nonmagnetik suhu tinggi.

Selain konsep “fase”, hukum termodinamika juga menggunakan istilah “komponen”, yang berarti jumlah unsur kimia yang menyusun suatu sistem tertentu. Ini berarti bahwa fasa dapat berupa monokomponen (1 unsur kimia) dan multikomponen (beberapa unsur kimia).

Teorema Gibbs dan kesetimbangan antara fase sistem

Untuk memahami transisi fase, perlu diketahui kondisi kesetimbangan di antara mereka. Kondisi ini dapat diperoleh secara matematis dengan menyelesaikan sistem persamaan Gibbs untuk masing-masingnya, dengan asumsi bahwa keadaan setimbang tercapai ketika energi Gibbs total sistem yang diisolasi dari pengaruh eksternal berhenti berubah.

Sebagai hasil dari penyelesaian sistem persamaan ini, diperoleh kondisi untuk adanya keseimbangan antara beberapa fase: sistem yang terisolasi akan berhenti berkembang hanya jika tekanan, potensial kimia dari setiap komponen dan suhu di semua fase sama satu sama lain.

Aturan fase Gibbs untuk kesetimbangan

Suatu sistem yang terdiri dari beberapa fase dan komponen dapat berada dalam kesetimbangan tidak hanya pada kondisi tertentu, misalnya pada suhu dan tekanan tertentu. Beberapa variabel dalam teorema Gibbs untuk kesetimbangan dapat diubah dengan tetap mempertahankan jumlah fase dan jumlah komponen yang berada dalam kesetimbangan ini. Banyaknya variabel yang dapat diubah tanpa mengganggu kesetimbangan dalam sistem disebut bilangan kebebasan sistem.

Jumlah kebebasan l dari sistem yang terdiri dari f fase dan k komponen ditentukan secara unik dari aturan fase Gibbs. Aturan ini secara matematis ditulis sebagai berikut: l + f = k + 2. Bagaimana cara bekerja dengan aturan ini? Sangat sederhana. Sebagai contoh, diketahui bahwa sistem terdiri dari f=3 fase kesetimbangan. Berapa jumlah minimum komponen yang dapat ditampung oleh sistem seperti itu? Anda dapat menjawab pertanyaan dengan alasan sebagai berikut: dalam kasus keseimbangan, kondisi yang paling ketat ada ketika diwujudkan hanya pada indikator tertentu, yaitu, perubahan parameter termodinamika akan menyebabkan ketidakseimbangan. Ini berarti banyaknya kebebasan l=0. Mengganti nilai l dan f yang diketahui, kita memperoleh k=1, yaitu, sistem di mana tiga fase berada dalam kesetimbangan dapat terdiri dari satu komponen. Contoh mencolok adalah titik tripel air, ketika es, air cair, dan uap berada dalam kesetimbangan pada suhu dan tekanan tertentu.

Klasifikasi transformasi fase

Jika Anda mulai mengubah beberapa dalam sistem yang berada dalam kesetimbangan, maka Anda dapat mengamati bagaimana satu fase akan hilang, dan yang lain akan muncul. Contoh sederhana dari proses ini adalah mencairnya es ketika dipanaskan.

Mengingat bahwa persamaan Gibbs hanya bergantung pada dua variabel (tekanan dan suhu), dan transisi fase melibatkan perubahan variabel-variabel ini, maka secara matematis transisi antar fase dapat dijelaskan dengan membedakan energi Gibbs sehubungan dengan variabelnya. Pendekatan inilah yang digunakan oleh fisikawan Austria Paul Ehrenfest pada tahun 1933, ketika ia menyusun klasifikasi semua proses termodinamika yang diketahui yang terjadi dengan perubahan kesetimbangan fasa.

Berdasarkan dasar termodinamika, turunan pertama energi Gibbs terhadap suhu sama dengan perubahan entropi sistem. Turunan energi Gibbs terhadap tekanan sama dengan perubahan volume. Jika, ketika fase dalam sistem berubah, entropi atau volume mengalami jeda, yaitu, mereka berubah tajam, maka mereka berbicara tentang transisi fase orde pertama.

Selanjutnya, turunan kedua dari energi Gibbs sehubungan dengan suhu dan tekanan masing-masing adalah kapasitas panas dan koefisien muai volumetrik. Jika transformasi antar fase disertai dengan diskontinuitas nilai kuantitas fisik yang ditunjukkan, maka orang berbicara tentang transisi fase orde kedua.

Contoh transformasi antar fase

Ada sejumlah besar transisi yang berbeda di alam. Dalam kerangka klasifikasi ini, contoh mencolok dari transisi jenis pertama adalah proses peleburan logam atau kondensasi uap air dari udara, ketika terjadi lonjakan volume dalam sistem.

Jika kita berbicara tentang transisi jenis kedua, maka contoh yang mencolok adalah transformasi besi dari keadaan magnetis menjadi paramagnetik pada suhu 768 C atau transformasi konduktor logam menjadi keadaan superkonduktor pada suhu mendekati nol mutlak.

Persamaan yang menggambarkan transisi jenis pertama

Dalam praktiknya, seringkali perlu diketahui bagaimana suhu, tekanan, dan energi yang diserap (dilepaskan) berubah dalam suatu sistem ketika terjadi transformasi fasa di dalamnya. Dua persamaan penting digunakan untuk tujuan ini. Mereka diperoleh berdasarkan pengetahuan tentang dasar-dasar termodinamika:

1. Rumus Clapeyron, yang menetapkan hubungan antara tekanan dan suhu selama transformasi antara fase yang berbeda.
2. Rumus Clausius, yang menghubungkan energi yang diserap (dilepaskan) dan suhu sistem selama transformasi.

Penggunaan kedua persamaan tersebut tidak hanya dalam memperoleh ketergantungan kuantitatif besaran fisis, tetapi juga dalam menentukan tanda kemiringan kurva kesetimbangan dalam diagram fasa.

Persamaan untuk menggambarkan transisi jenis kedua

Transisi fase jenis 1 dan 2 dijelaskan oleh persamaan yang berbeda, karena penggunaan dan Clausius untuk transisi jenis kedua menyebabkan ketidakpastian matematis.

Untuk menggambarkan yang terakhir, persamaan Ehrenfest digunakan, yang menetapkan hubungan antara perubahan tekanan dan suhu melalui pengetahuan tentang perubahan kapasitas panas dan koefisien ekspansi volumetrik selama proses transformasi. Persamaan Ehrenfest digunakan untuk menggambarkan transisi konduktor-superkonduktor tanpa adanya medan magnet.

Pentingnya diagram fase

Diagram fase adalah representasi grafis dari area di mana fase yang sesuai ada dalam kesetimbangan. Daerah-daerah ini dipisahkan oleh garis kesetimbangan antara fase. Diagram fasa yang sering digunakan pada sumbu P-T (tekanan-suhu), T-V (suhu-volume) dan P-V (tekanan-volume).

Pentingnya diagram fase terletak pada kenyataan bahwa diagram fase memungkinkan Anda untuk memprediksi fase apa sistem akan berada ketika kondisi eksternal berubah sesuai. Informasi ini digunakan dalam perlakuan panas berbagai bahan untuk mendapatkan struktur dengan sifat yang diinginkan.