Apa fase transisi dari jenis pertama yang Anda ketahui. Transisi fase

Transisi materi dari satu keadaan ke keadaan lain adalah kejadian yang sangat umum di alam. Air mendidih dalam ketel, pembekuan sungai di musim dingin, pencairan logam, pencairan gas, demagnetisasi ferit saat dipanaskan, dll. berhubungan secara tepat dengan fenomena seperti itu, yang disebut transisi fase. Transisi fase dideteksi oleh perubahan tajam dalam sifat dan fitur (anomali) karakteristik suatu zat pada saat transisi fase: dengan pelepasan atau penyerapan panas laten; lompatan volume atau lompatan kapasitas panas dan koefisien ekspansi termal; perubahan hambatan listrik; munculnya sifat magnet, feroelektrik, piezomagnetik, perubahan pola difraksi sinar-X, dll. Fase mana dari suatu zat yang stabil dalam kondisi tertentu ditentukan oleh salah satu potensial termodinamika. Pada suhu dan volume tertentu dalam termostat, ini adalah energi bebas Helmholtz, pada suhu dan tekanan tertentu, potensial Gibbs.

Mari saya ingatkan Anda bahwa potensial Helmholtz F (energi bebas) adalah perbedaan antara energi internal suatu zat E dan entropi S dikalikan dengan suhu mutlak T:

Baik energi dan entropi dalam (1) adalah fungsi dari kondisi eksternal (tekanan p dan suhu T), dan fase yang diwujudkan dalam kondisi eksternal tertentu memiliki potensi Gibbs terkecil dari semua fase yang mungkin. Dalam termodinamika, ini adalah prinsip. Ketika kondisi eksternal berubah, ternyata energi bebas dari fase lain menjadi lebih kecil. Perubahan kondisi eksternal selalu terjadi terus menerus, dan oleh karena itu dapat dijelaskan oleh beberapa ketergantungan volume sistem pada suhu. Mengingat kesepakatan ini dalam nilai T dan V, kita dapat mengatakan bahwa perubahan stabilitas fase dan transisi suatu zat dari satu fase ke fase lain terjadi pada suhu tertentu di sepanjang jalur termodinamika, dan nilai untuk keduanya fase adalah fungsi dari suhu di dekat titik ini Mari kita perhatikan lebih detail bagaimana perubahan tanda itu terjadi. Tutup kecanduan untuk satu dan untuk fase lainnya dapat didekati dengan beberapa polinomial yang bergantung pada:

Perbedaan antara energi bebas dari dua fase mengambil bentuk

Selama perbedaannya cukup kecil, kita dapat membatasi diri hanya pada suku pertama dan menyatakan bahwa jika , maka fase I stabil pada suhu rendah, dan fase II stabil pada suhu tinggi. Pada titik transisi itu sendiri, turunan pertama dari energi bebas terhadap suhu secara alami mengalami lompatan: di , dan di . Seperti yang kita ketahui, sebenarnya ada entropi benda. Akibatnya, selama transisi fase, entropi mengalami lompatan, menentukan panas laten transisi , karena . Transisi yang dijelaskan disebut transisi jenis pertama, dan mereka dikenal luas dan dipelajari di sekolah. Kita semua tahu tentang panas laten penguapan atau pencairan. Itulah apa itu.

Menggambarkan transisi dalam kerangka pertimbangan termodinamika di atas, kami tidak mempertimbangkan hanya satu, pada pandangan pertama, kemungkinan yang tidak mungkin: mungkin terjadi bahwa tidak hanya energi bebas yang sama, tetapi juga turunannya terhadap suhu, yaitu . Dari (2) disimpulkan bahwa suhu seperti itu, setidaknya dari sudut pandang sifat kesetimbangan zat, tidak boleh dipilih. Memang, pada dan dalam pendekatan pertama sehubungan dengan kita memiliki

dan, setidaknya pada titik ini, transisi fase tidak akan terjadi: potensial Gibbs, yang lebih kecil di , juga akan lebih kecil di .

Di alam, tentu saja, tidak semuanya begitu sederhana. Terkadang ada alasan yang dalam untuk kedua persamaan dan untuk bertahan pada saat yang sama. Selain itu, fase I menjadi benar-benar tidak stabil sehubungan dengan fluktuasi kecil sewenang-wenang dari derajat kebebasan internal di , dan fase II - di . Dalam hal ini terjadi transisi yang menurut klasifikasi terkenal Ehrenfest, disebut transisi jenis kedua. Nama ini disebabkan oleh fakta bahwa selama transisi orde kedua, hanya turunan kedua dari potensial Gibbs sehubungan dengan lompatan suhu. Seperti yang kita ketahui, turunan kedua dari energi bebas terhadap suhu menentukan kapasitas panas suatu zat

Jadi, selama transisi jenis kedua, lonjakan kapasitas panas zat harus diamati, tetapi tidak boleh ada panas laten. Karena pada , fase II benar-benar tidak stabil sehubungan dengan fluktuasi kecil, dan hal yang sama berlaku untuk fase I pada , tidak ada panas berlebih atau pendinginan berlebih yang harus diamati selama transisi orde kedua, yaitu, tidak ada histeresis suhu dari titik transisi fase. Ada fitur luar biasa lainnya yang menjadi ciri transisi ini.

Apa penyebab yang mendasari kondisi termodinamika yang diperlukan untuk transisi orde kedua? Faktanya adalah bahwa zat yang sama ada di dan di. Interaksi antara unsur-unsur yang membentuknya tidak berubah secara tiba-tiba; ini adalah sifat fisik dari fakta bahwa potensi termodinamika untuk kedua fase tidak dapat sepenuhnya independen. Bagaimana hubungan antara dan , dan lain-lain muncul dapat ditelusuri pada model sederhana transisi fase dengan menghitung potensial termodinamika di bawah kondisi eksternal yang berbeda menggunakan metode mekanika statistik. Cara termudah untuk menghitung energi bebas.

WIKIPEDIA

Transisi fase(transformasi fase) dalam termodinamika - transisi suatu zat dari satu fase termodinamika ke fase lainnya ketika kondisi eksternal berubah. Dari sudut pandang pergerakan sistem sepanjang diagram fase dengan perubahan parameter intensifnya (suhu, tekanan, dll.), transisi fase terjadi ketika sistem melintasi garis yang memisahkan dua fase. Karena fase termodinamika yang berbeda dijelaskan oleh persamaan keadaan yang berbeda, selalu mungkin untuk menemukan kuantitas yang berubah secara tiba-tiba selama transisi fase.

Karena pembagian ke dalam fase termodinamika adalah klasifikasi keadaan yang lebih kecil daripada pembagian menjadi keadaan agregat suatu zat, tidak setiap transisi fase disertai dengan perubahan keadaan agregat. Namun, setiap perubahan dalam keadaan agregasi adalah transisi fase.

Transisi fase yang paling sering dipertimbangkan adalah transisi dengan perubahan suhu, tetapi pada tekanan konstan (biasanya sama dengan 1 atmosfer). Itulah sebabnya istilah "titik" (dan bukan garis) dari transisi fase, titik leleh, dll sering digunakan.Tentu saja, transisi fase dapat terjadi baik dengan perubahan tekanan dan pada suhu dan tekanan konstan, tetapi juga dengan perubahan konsentrasi komponen (misalnya, munculnya kristal garam dalam larutan yang telah mencapai kejenuhan).

Pada transisi fase orde pertama parameter ekstensif primer yang paling penting berubah secara tiba-tiba: volume spesifik, jumlah energi internal yang tersimpan, konsentrasi komponen, dll. Kami menekankan: yang kami maksud adalah perubahan mendadak dalam jumlah ini dengan perubahan suhu, tekanan, dll., dan bukan perubahan waktu yang tiba-tiba (untuk yang terakhir, lihat bagian di bawah Dinamika transisi fase).

Contoh paling umum transisi fase jenis pertama:

peleburan dan kristalisasi

penguapan dan kondensasi

sublimasi dan desublimasi

Pada transisi fase jenis kedua kepadatan dan energi internal tidak berubah, sehingga transisi fase seperti itu mungkin tidak terlihat dengan mata telanjang. Lompatan dialami oleh turunannya sehubungan dengan suhu dan tekanan: kapasitas panas, koefisien ekspansi termal, berbagai kerentanan, dll.

Transisi fase jenis kedua terjadi dalam kasus-kasus ketika simetri struktur materi berubah (simetri dapat sepenuhnya hilang atau berkurang). Deskripsi transisi fase orde kedua sebagai konsekuensi dari perubahan simetri diberikan oleh teori Landau. Saat ini, sudah lazim untuk berbicara bukan tentang perubahan simetri, tetapi tentang penampilan pada titik transisi parameter pesanan, sama dengan nol dalam fase yang kurang teratur dan berubah dari nol (pada titik transisi) ke nilai bukan nol dalam fase yang lebih teratur.

Contoh paling umum dari transisi fase orde kedua adalah:

bagian dari sistem melalui titik kritis

transisi paramagnet-ferromagnet atau paramagnet-antiferromagnet (parameter urutan - magnetisasi)

transisi logam dan paduan ke keadaan superkonduktivitas (parameter urutannya adalah kepadatan kondensat superkonduktor)

transisi helium cair ke keadaan superfluida (pp - kepadatan komponen superfluida)

transisi bahan amorf ke keadaan kaca

Fisika modern juga menyelidiki sistem yang memiliki transisi fase orde ketiga atau lebih tinggi.

Baru-baru ini, konsep transisi fase kuantum telah tersebar luas, yaitu transisi fase yang dikendalikan bukan oleh fluktuasi termal klasik, tetapi oleh fluktuasi kuantum, yang ada bahkan pada suhu nol mutlak, di mana transisi fase klasik tidak dapat direalisasikan karena teorema Nernst.

©2015-2019 situs
Semua hak milik penulisnya. Situs ini tidak mengklaim kepengarangan, tetapi menyediakan penggunaan gratis.
Tanggal pembuatan halaman: 2016-02-12

Transisi fase, transisi suatu zat dari satu fase ke fase lain dengan perubahan parameter keadaan yang mencirikan kesetimbangan termodinamika. Nilai suhu, atau besaran fisis lainnya, di mana transisi fase terjadi dalam sistem satu komponen, disebut titik transisi. Selama transisi fase jenis pertama, sifat-sifat yang dinyatakan oleh turunan pertama G terhadap tekanan R, t-re T dan parameter lainnya, berubah secara tiba-tiba dengan perubahan terus-menerus dalam parameter ini. Dalam hal ini, panas transisi dilepaskan atau diserap. Dalam sistem satu komponen, suhu transisi T1 berhubungan dengan tekanan R 1 Persamaan Clausius-Clapeyron dp 1 /dT 1 ==QIT 1 hari V, di mana Q- panas transisi, D V- lompatan volume. Transisi fase dari jenis pertama dicirikan oleh fenomena histeresis (misalnya, panas berlebih atau pendinginan berlebih dari salah satu fase), yang diperlukan untuk pembentukan inti fase lain dan agar transisi fase terjadi pada laju yang terbatas. Dengan tidak adanya inti yang stabil, fase super panas (supercooled) berada dalam keadaan kesetimbangan metastabil. Fase yang sama dapat ada (walaupun metastabil) di kedua sisi titik transisi ke (namun, fase kristal tidak dapat dipanaskan di atas suhu atau sublimasi). Pada titik F. hal. Saya semacam energi Gibbs G sebagai fungsi kontinu, dan kedua fase dapat hidup berdampingan untuk waktu yang lama, yaitu, apa yang disebut pemisahan fase terjadi (misalnya, koeksistensi keduanya atau dan untuk volume total sistem yang diberikan).

transisi fase jenis pertama adalah fenomena yang tersebar luas di alam. Ini termasuk baik dari gas ke fase cair, peleburan dan pemadatan, dan (desublimasi) dari gas ke fase padat, sebagian besar transformasi polimorfik, beberapa transisi struktural dalam padatan, misalnya, pembentukan martensit di -. Dalam yang bersih, medan magnet yang cukup kuat menyebabkan transisi fase orde pertama dari superkonduktor ke keadaan normal.

Pada transisi fase jenis kedua, kuantitas itu sendiri G dan turunan pertama G pada T, p dan parameter lain dari keadaan berubah secara terus-menerus, dan turunan kedua (masing-masing, koefisien dan ekspansi termal) dengan perubahan parameter yang terus menerus berubah secara tiba-tiba atau tunggal. Panas tidak dilepaskan atau diserap, fenomena histeresis dan keadaan metastabil tidak ada. Transisi fase orde kedua yang diamati dengan perubahan suhu termasuk, misalnya, transisi dari keadaan paramagnetik (tidak teratur) ke keadaan teratur secara magnetis (ferro dan ferrimagnetik pada titik antiferromagnetik pada titik Neel) dengan munculnya magnetisasi spontan ( masing-masing, di seluruh kisi atau di masing-masing subkisi magnetik); transisi - dengan munculnya spontan. penampilan keadaan teratur dalam padatan (dalam memesan paduan); transisi kristal cair smectic ke fase nematik, disertai dengan peningkatan kapasitas panas yang tidak wajar, serta transisi antara fase smectic yang berbeda; l - transisi ke 4 He, disertai dengan munculnya anomali tinggi dan superfluiditas. Transisi ke keadaan superkonduktor tanpa adanya medan magnet.

Transisi fase dapat dikaitkan dengan perubahan tekanan. Banyak zat pada tekanan rendah mengkristal menjadi struktur yang dikemas secara longgar. Sebagai contoh, struktur merupakan rangkaian lapisan yang berjauhan. Pada tekanan yang cukup tinggi, nilai energi Gibbs yang besar sesuai dengan struktur longgar tersebut, sedangkan fase kesetimbangan rapat sesuai dengan nilai yang lebih kecil. Oleh karena itu, pada tekanan tinggi, grafit berubah menjadi berlian. Quantum 4 He dan 3 He tetap cair pada tekanan normal sampai suhu terendah mencapai mendekati nol mutlak. Alasan untuk ini adalah interaksi yang lemah dan amplitudo yang besar dari "osilasi nol" mereka (kemungkinan besar terowongan kuantum dari satu posisi tetap ke posisi lain). Namun, kenaikan tersebut menyebabkan helium cair menjadi padat; misalnya, 4 He pada 2,5 MPa membentuk heksagen, kisi yang rapat.

Interpretasi umum transisi fase orde kedua diusulkan oleh L. D. Landau pada tahun 1937. Di atas titik transisi, sistem, sebagai aturan, memiliki simetri yang lebih tinggi daripada di bawah titik transisi, oleh karena itu, transisi fase orde kedua ditafsirkan sebagai perubahan titik simetri. Misalnya, dalam feromagnet di atas titik Curie, arah momen magnet spin partikel didistribusikan secara acak, sehingga rotasi simultan semua spin di sekitar sumbu yang sama dengan sudut yang sama tidak mengubah fisik. properti sistem. Di bawah titik transisi, spin memiliki orientasi preferensial, dan rotasi sambungannya dalam arti yang ditunjukkan di atas mengubah arah momen magnetik sistem. Dalam paduan dua komponen, yang atom A dan B terletak di lokasi kisi kristal kubik sederhana, keadaan tidak teratur dicirikan oleh distribusi A dan B yang kacau di atas lokasi kisi, sehingga kisi bergeser satu periode tidak mengubah properti. Di bawah titik transisi, atom-atom dari paduan tersebut memiliki urutan: ...ABAB... Pergeseran kisi semacam itu dengan periode menyebabkan penggantian semua A dengan B dan sebaliknya. Dengan demikian, simetri kisi berkurang, karena sub kisi yang dibentuk oleh atom A dan B menjadi tidak ekuivalen.

Simetri muncul dan menghilang secara tiba-tiba; dalam hal ini, pelanggaran simetri dapat ditandai dengan fisik. kuantitas, yang selama transisi fase jenis kedua berubah terus menerus dan disebut. parameter pesanan. Untuk cairan murni, parameter seperti itu adalah kerapatan, untuk larutan - komposisi, untuk ferro dan ferrimagnet - magnetisasi spontan, untuk feroelektrik - polarisasi listrik spontan, untuk paduan - proporsi yang dipesan untuk kristal cair smectic - amplitudo kerapatan gelombang, dll. Dalam semua kasus di atas pada suhu di atas titik transisi fase jenis kedua, parameter urutan sama dengan nol, di bawah titik ini, pertumbuhan anomali dimulai, yang mengarah ke maks. nilai pada T = O.

Tidak adanya panas transisi, lompatan densitas, dan konsentrasi, yang merupakan karakteristik transisi fase orde kedua, juga diamati pada titik kritis pada kurva transisi fase orde pertama. Kemiripannya sangat dalam. Keadaan materi di dekat titik kritis juga dapat dicirikan oleh kuantitas yang berperan sebagai parameter orde. Misalnya, dalam kasus kesetimbangan cair-uap, parameter seperti itu adalah deviasi kerapatan zat dari nilai kritis: ketika bergerak sepanjang isokhor kritis dari sisi suhu tinggi, gas homogen dan deviasi kerapatan dari nilai kritis adalah nol, dan di bawah suhu kritis, zat terpisah menjadi dua fase, di mana masing-masing deviasi densitas dari nilai kritis tidak sama dengan nol.

Karena fase sedikit berbeda satu sama lain di dekat titik transisi fase orde kedua, fluktuasi parameter orde dimungkinkan, sama seperti di dekat titik kritis. Terkait dengan ini adalah fenomena kritis pada titik transisi fase jenis kedua: peningkatan anomali dalam kerentanan magnetik feromagnet dan kerentanan dielektrik feroelektrik (analognya adalah pertumbuhan di dekat titik kritis transisi cair-uap); peningkatan tajam dalam kapasitas panas; hamburan anomali gelombang cahaya dalam sistem uap-cair (yang disebut opalesensi kritis), sinar-x dalam padatan, neutron dalam feromagnet. Proses dinamis juga berubah secara signifikan, yang terkait dengan disipasi yang sangat lambat dari fluktuasi yang dihasilkan. Misalnya, di dekat titik kritis uap-cair, garis hamburan sinar Rayleigh menyempit, di dekat titik Curie dan Neel, masing-masing, dalam feromagnet dan antiferromagnet, difusi putaran melambat (perambatan magnetisasi berlebih terjadi menurut hukum difusi). Ukuran rata-rata fluktuasi (radius korelasi) meningkat saat kita mendekati titik transisi fase orde kedua dan menjadi anomali besar pada titik ini. Ini berarti bahwa setiap bagian zat pada titik transisi "merasakan" perubahan yang telah terjadi di bagian lain. Sebaliknya, jauh dari titik transisi jenis kedua, fluktuasi secara statistik independen dan perubahan acak dalam keadaan di bagian tertentu dari sistem tidak mempengaruhi sifat-sifat bagian lainnya.

P, t-re T, dan parameter lainnya berubah secara tiba-tiba dengan perubahan terus menerus pada parameter ini. Dalam hal ini, panas transisi dilepaskan atau diserap. Dalam sistem satu komponen, suhu transisi T 1 berhubungan dengan p 1 Clapeyron - Clausius dengan persamaan dp 1 /dT 1 = QIT 1 DV, di mana Q adalah panas transisi, DV adalah lompatan volume. Transisi fase dari jenis pertama dicirikan oleh fenomena histeresis (misalnya, panas berlebih atau pendinginan berlebih dari salah satu fase) yang diperlukan untuk pembentukan inti fase lain dan aliran transisi fase pada laju yang terbatas. Dengan tidak adanya inti stabil, fase superheated (supercooled) berada dalam keadaan metastabil (lihat ). Fase yang sama dapat ada (walaupun metastabil) di kedua sisi titik transisi ke (namun, fase kristal tidak dapat terlalu panas di atas suhu atau ). Pada intinya transisi fase Saya jenis G sebagai fungsi kontinu (lihat gambar dalam Seni.), dan kedua fase dapat hidup berdampingan untuk waktu yang lama, yaitu, ada yang disebut. pemisahan fase (misalnya, koeksistensi keduanya atau dan untuk volume total sistem tertentu).

F Transisi atom jenis pertama adalah fenomena yang tersebar luas di alam. Ini termasuk baik dari gas ke fase cair, dan pemadatan, dan (desublimasi) dari gas ke fase padat, sebagian besar transformasi polimorfik, beberapa transisi struktural, misalnya, pembentukan martensit di -. Dalam magnet yang cukup kuat murni. medan menyebabkan transisi fase jenis pertama dari superkonduktor ke keadaan normal.

Selama transisi fase jenis kedua, nilai G itu sendiri dan turunan pertama dari G terhadap T, p, dll. berubah terus menerus, dan turunan kedua (masing-masing, koefisien dan ekspansi termal) berubah secara tiba-tiba atau singular dengan a perubahan parameter yang terus menerus. Panas tidak dilepaskan atau diserap, fenomena histeresis dan keadaan metastabil tidak ada. Ke transisi fase Tipe II, diamati dengan perubahan suhu, termasuk, misalnya, transisi dari keadaan paramagnetik (tidak teratur) ke keadaan teratur secara magnetis (ferro dan ferrimagnetik masuk, antiferromagnetik masuk) dengan munculnya magnetisasi spontan (masing-masing, di seluruh kisi atau di masing-masing subkisi magnetik); transisi - dengan munculnya spontan; munculnya keadaan teratur di (dalam keteraturan); transisi smetik. di nematik fase, disertai dengan pertumbuhan abnormal, serta transisi antara pembusukan. smectic fase; l -transisi ke 4 He, disertai dengan munculnya anomali tinggi dan superfluiditas (lihat); transisi ke keadaan superkonduktor tanpa adanya magnet. bidang.

Transisi fase dapat dikaitkan dengan perubahan. Banyak zat di kristal kecil menjadi struktur yang dikemas secara longgar. Misalnya, struktur adalah rangkaian lapisan yang berjauhan satu sama lain. Pada nilai yang cukup tinggi, nilai besar sesuai dengan struktur longgar seperti itu, dan fase padat kesetimbangan sesuai dengan nilai yang lebih kecil. Oleh karena itu, pada umumnya ia pergi ke . Quantum 4 He dan 3 He dalam kondisi normal tetap cair hingga terendah mencapai t-p dekat abs. nol. Alasan untuk ini adalah dalam interaksi yang lemah. dan amplitudo besar dari "osilasi nol" mereka (kemungkinan besar terowongan kuantum dari satu posisi tetap ke posisi lain). Namun, kenaikan menyebabkan cairan mengeras; misalnya, 4 He pada 2,5 MPa membentuk heksagen, kisi yang rapat.

Interpretasi umum transisi fase Tipe II diusulkan oleh L. D. Landau pada tahun 1937. Di atas titik transisi, sistem, sebagai aturan, memiliki titik transisi yang lebih tinggi daripada di bawah titik transisi, oleh karena itu transisi fase jenis kedua ditafsirkan sebagai titik perubahan. Misalnya pada arah putaran magn yang lebih tinggi. momen partikel didistribusikan secara acak, sehingga rotasi simultan dari seluruh sumbu yang sama dengan sudut yang sama tidak mengubah fisik. St dalam sistem. Di bawah titik transisi memiliki kelebihan. orientasi, dan rotasi bersamanya dalam pengertian di atas mengubah arah magnet. momen dari sistem. Dalam dua komponen, to-rogo A dan B terletak pada simpul-simpul kubus sederhana. kristal kisi, keadaan tidak teratur ditandai dengan kacau. distribusi A dan B di atas simpul kisi, sehingga pergeseran kisi satu periode tidak mengubah r.v. Di bawah titik transisi diatur dalam urutan: ...ABAB... Pergeseran kisi tersebut dengan periode menyebabkan penggantian semua A oleh B dan sebaliknya. T. arr., kisi berkurang, karena sublattice yang dibentuk oleh A dan B menjadi non-ekuivalen.

Muncul dan menghilang secara tiba-tiba; pada saat yang sama, pelanggaran dapat ditandai dengan fisik. nilai, ke surga selama transisi fase jenis kedua berubah terus menerus dan disebut. parameter pesanan. Untuk parameter murni seperti itu adalah kepadatan, untuk larutan - komposisi, untuk fero- dan - magnetisasi spontan, untuk feroelektrik - listrik spontan. , untuk - proporsi dipesan untuk smectic. - amplitudo gelombang kerapatan, dll. Dalam semua kasus di atas, pada t-rah di atas titik transisi fase jenis kedua, parameter urutan sama dengan nol, di bawah titik ini pertumbuhan anomalinya dimulai, mengarah ke maks . nilai pada T = O.

Tidak adanya panas transisi, lompatan densitas, dan , yang merupakan karakteristik transisi fase orde kedua, juga diamati dalam keadaan kritis. titik pada kurva transisi fase jenis pertama (lihat ). Kemiripannya sangat dalam. Nyatakan di-va tentang kritis. poin juga dapat dicirikan oleh kuantitas yang berperan sebagai parameter pesanan. Misalnya, dalam kasus - parameter seperti itu adalah penyimpangan densitas in-va dari kritis. nilai: saat bergerak di sepanjang kritis isokore dari sisi tr tinggi adalah homogen dan deviasi densitas dari kritis. nilainya nol, dan di bawah kritis. t-ry in-in distratifikasi menjadi dua fase, di mana masing-masing deviasi densitas dari fase kritis tidak sama dengan nol.

Karena fase sedikit berbeda satu sama lain di dekat titik transisi fase jenis kedua, keberadaan fluktuasi parameter urutan dimungkinkan, dengan cara yang sama seperti di dekat kritis. poin. Kritis dikaitkan dengan ini. fenomena di titik-titik transisi fase jenis kedua: pertumbuhan anomali mag. kerentanan dan dielektrik. kerentanan (analog adalah pertumbuhan di dekat titik transisi kritis - ); peningkatan yang tajam; hamburan anomali gelombang cahaya dalam sistem

Transisi fase

TRANSISI FASA (transformasi fase), transisi suatu zat dari satu fase ke fase lain, terjadi ketika suhu, tekanan, atau di bawah pengaruh faktor eksternal lainnya (misalnya, medan magnet atau listrik). Transisi fase, disertai dengan perubahan kepadatan dan entropi materi yang mirip lompatan, disebut transisi fase jenis pertama; Ini termasuk penguapan meleleh, kondensasi, kristalisasi. Selama transisi fase seperti itu, panas transisi fase. Transisi fase jenis ke-2 kepadatan dan entropi materi berubah terus menerus pada titik transisi, kapasitas atermal, kompresibilitas, dan besaran serupa lainnya mengalami lompatan. Sebagai aturan, ini berubah dan, karenanya, simetri fase (misalnya, magnetik selama fase transisi dari paramagnetik ke keadaan feromagnetik pada titik Curie).

Fasetransisipertamajenis fase transisi, yang turunan pertamanya berubah secara tiba-tiba termodinamika potensi pada parameter intens sistem (suhu atau tekanan). Transisi jenis pertama diwujudkan baik selama transisi sistem dari satu keadaan agregasi ke yang lain, dan dalam satu keadaan agregasi (berlawanan dengan fase transisi kedua jenis yang terjadi dalam satu keadaan agregasi).

Contoh transisi fase orde pertama

selama transisi sistem dari satu keadaan agregasi ke yang lain: kristalisasi(transisi fase cair ke padat), meleleh(transisi fase padat menjadi cair), kondensasi(transisi fase gas menjadi padat atau cair), sublimasi(transisi dari fase padat menjadi fase gas), eutektik, transformasi imonotektik peritektik.

dalam satu keadaan agregasi: transformasi eutektik, peritektik dan polimorfik, dekomposisi larutan padat lewat jenuh, dekomposisi (stratifikasi) larutan cair, pengurutan larutan padat.

Kadang-kadang, transisi fase orde pertama juga disebut sebagai transformasi martensit(dengan syarat, karena di pintu masuk transformasi martensit, transisi ke keadaan stabil, tetapi tidak seimbang diwujudkan - keadaan metastabil).

Fasetransisikeduajenis-fase transisi, untuk mana turunan pertama termodinamika potensi dalam tekanan dan suhu berubah secara terus menerus, sedangkan turunan keduanya mengalami lompatan. Ini mengikuti, khususnya, bahwa energi dan volume suatu zat tidak berubah selama transisi fase orde kedua, tetapi kapasitas panas, kompresibilitas, berbagai kerentanan, dll.

KB (Wiki)

Klasifikasi transisi fase

Contoh paling umum transisi fase jenis pertama:

peleburan dan kristalisasi

penguapan dan kondensasi

sublimasi dan desublimasi

Contoh paling umum dari transisi fase orde kedua adalah:

bagian dari sistem melalui titik kritis

transisi paramagnet-ferromagnet atau paramagnet-antiferromagnet (parameter urutan - magnetisasi)

transisi logam dan paduan ke keadaan superkonduktivitas (parameter urutan adalah kepadatan kondensat superkonduktor)

transisi helium cair ke keadaan superfluida (pp - kepadatan komponen superfluida)

transisi bahan amorf ke keadaan kaca

Keberadaan transisi fase lebih dari orde kedua belum dikonfirmasi secara eksperimental.

Baru-baru ini, konsep transisi fase kuantum telah tersebar luas, yaitu, transisi fase yang dikendalikan bukan oleh fluktuasi termal klasik, tetapi oleh fluktuasi kuantum, yang ada bahkan pada suhu nol mutlak, di mana transisi fase klasik tidak dapat direalisasikan karena teorema Nernst.

Dinamika transisi fase

Seperti disebutkan di atas, lompatan sifat-sifat suatu zat berarti lompatan dengan perubahan suhu dan tekanan. Pada kenyataannya, ketika bekerja pada sistem, kita tidak mengubah jumlah ini, tetapi volumenya dan energi internal totalnya. Perubahan ini selalu terjadi pada tingkat tertentu, yang berarti bahwa untuk "menutupi" seluruh celah dalam kepadatan atau energi internal tertentu, kita memerlukan waktu yang terbatas. Selama waktu ini, transisi fase tidak terjadi segera di seluruh volume zat, tetapi secara bertahap. Dalam hal ini, dalam kasus transisi fase orde pertama, sejumlah energi dilepaskan (atau diambil), yang disebut panas transisi fase. Agar transisi fase tidak berhenti, perlu untuk terus menerus menghilangkan (atau memasok) panas ini, atau mengimbanginya dengan melakukan pekerjaan pada sistem.

Akibatnya, selama waktu ini, titik pada diagram fase yang menggambarkan sistem "membeku" (yaitu, tekanan dan suhu tetap konstan) sampai proses selesai.

Konsep fase dan transisi fase. Transisi fase jenis pertama dan kedua

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 per hari dari permukaan Samudra Dunia, yang merupakan 94% dari hidrosfer bumi, dan jumlah yang sama jatuh dalam bentuk 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 langsung mendidih, sehingga "laut" bulan menjadi 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

ketiga 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

Embun beku 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 melalui 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 koefisien 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 yang spesifik, dan semakin kompleks sistemnya, 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 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 akurasi 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 fenomena kritis yang luas dan menciptakan teori umum transisi fase orde kedua.

Portal untuk siswa. Latihan mandiri

Konsep fase dan transisi fase. Transisi fase jenis pertama dan kedua

ARTIKEL TERKAIT