27. რკინის აგებულება და თვისებები; მეტასტაბილური და სტაბილური რკინა-ნახშირბადის ფაზის დიაგრამები. ნახშირბადოვანი ფოლადების სტრუქტურის ფორმირება. ფოლადში ნახშირბადის შემცველობის განსაზღვრა სტრუქტურის მიხედვით რკინა-ნახშირბადის შენადნობები ყველაზე გავრცელებული ლითონია

შესავალი.

ფაზები ეწოდება ფიზიკურ-ქიმიური სისტემების ერთგვაროვან სხვადასხვა ნაწილებს. ნივთიერება ერთგვაროვანია, როდესაც ნივთიერების მდგომარეობის ყველა პარამეტრი ერთნაირია ყველა მოცულობით, რომლის ზომები დიდია ატომთაშორის მდგომარეობებთან შედარებით. სხვადასხვა გაზების ნარევები ყოველთვის ქმნიან ერთ ფაზას, თუ ისინი ერთნაირი კონცენტრაციით არიან მთელ მოცულობაში.

ერთი და იგივე ნივთიერება, გარე პირობებიდან გამომდინარე, შეიძლება იყოს აგრეგაციის სამი მდგომარეობიდან ერთ-ერთში - თხევადი, მყარი ან აირისებრი. გარე პირობებიდან გამომდინარე, ის შეიძლება იყოს ერთ ფაზაში, ან ერთდროულად რამდენიმე ფაზაში. ჩვენს ირგვლივ ბუნებაში განსაკუთრებით ხშირად ვაკვირდებით წყლის ფაზურ გადასვლას. მაგალითად: აორთქლება, კონდენსაცია. არსებობს წნევის და ტემპერატურის პირობები, რომლებშიც ნივთიერება წონასწორობაშია სხვადასხვა ფაზაში. მაგალითად, ფაზური წონასწორობის მდგომარეობაში გაზის გათხევადებისას, მოცულობა შეიძლება იყოს ნებისმიერი, ხოლო გარდამავალი ტემპერატურა დაკავშირებულია გაჯერების ორთქლის წნევასთან. ტემპერატურას, რომლის დროსაც ხდება ერთი ფაზიდან მეორეზე გადასვლა, გარდამავალი ტემპერატურა ეწოდება. ისინი დამოკიდებულნი არიან წნევაზე, თუმცა სხვადასხვა ხარისხით: დნობის წერტილი უფრო სუსტია, აორთქლების და სუბლიმაციის ტემპერატურა უფრო ძლიერია. ნორმალურ და მუდმივ წნევაზე გადასვლა ხდება გარკვეულ ტემპერატურაზე და აქ ხდება დნობა, დუღილი და სუბლიმაცია (ანუ სუბლიმაცია). სუბლიმაცია არის ნივთიერების გადასვლა მყარი მდგომარეობიდან აირისებურ მდგომარეობაში, რაც შეიძლება შეინიშნოს, მაგალითად, კომეტის კუდების გარსებში. როდესაც კომეტა მზიდან შორს არის, მისი თითქმის მთელი მასა კონცენტრირებულია მის ბირთვში, რომელიც ზომავს 10-12 კილომეტრს. ბირთვი, რომელიც გარშემორტყმულია გაზის პატარა გარსით, არის კომეტის ე.წ. მზესთან მიახლოებისას, კომეტის ბირთვი და ჭურვები იწყებს გათბობას, იზრდება სუბლიმაციის ალბათობა და მცირდება დესუბლიმაცია. კომეტის ბირთვიდან გამომავალი აირები მყარ ნაწილაკებს თან ატარებენ, კომეტის თავი იზრდება მოცულობაში და ხდება აირისებრი და მტვრიანი შემადგენლობით.

პირველი და მეორე სახის ფაზური გადასვლები.

ფაზის გადასვლები რამდენიმე სახისაა. ნივთიერების მთლიანი მდგომარეობების ცვლილებებს ეწოდება პირველი რიგის ფაზის გადასვლები, თუ:

1) ტემპერატურა მუდმივია მთელი გადასვლის დროს.

2) სისტემის მოცულობა იცვლება.

3) იცვლება სისტემის ენტროპია.

იმისათვის, რომ მოხდეს ასეთი ფაზის გადასვლა, აუცილებელია ნივთიერების მოცემულმა მასამ დაფაროს გარკვეული რაოდენობის სითბო, რომელიც შეესაბამება ტრანსფორმაციის ლატენტურ სითბოს. მართლაც, შედედებული ფაზის უფრო დაბალი სიმკვრივის ფაზაზე გადასვლისას, გარკვეული რაოდენობის ენერგია უნდა გადაიცეს სითბოს სახით, რომელიც წავა კრისტალური გისოსების გასანადგურებლად (დნობის დროს) ან ამოიღონ თხევადი მოლეკულები თითოეულიდან. სხვა (აორთქლების დროს). ტრანსფორმაციის დროს ლატენტური სითბო გადავა შეკრული ძალების ტრანსფორმაციამდე, თერმული მოძრაობის ინტენსივობა არ შეიცვლება, რის შედეგადაც ტემპერატურა მუდმივი დარჩება. ასეთი გადასვლისას იზრდება უწესრიგობის ხარისხი და, შესაბამისად, ენტროპია. თუ პროცესი საპირისპირო მიმართულებით მიდის, მაშინ ლატენტური სითბო გამოიყოფა. პირველი ტიპის ფაზური გადასვლები მოიცავს: მყარის თხევად გადაქცევას (დნობა) და საპირისპირო პროცესს (კრისტალიზაცია), სითხის ორთქლად (აორთქლება, დუღილი). ერთი კრისტალური მოდიფიკაცია - მეორეში (პოლიმორფული გარდაქმნები). მეორე სახის ფაზური გადასვლები მოიცავს: ნორმალური გამტარის გადასვლას ზეგამტარ მდგომარეობაში, ჰელიუმ-1 ზესთხევად ჰელიუმ-2-ზე, ფერომაგნიტის პარამაგნიტზე გადასვლა. ლითონები, როგორიცაა რკინა, კობალტი, ნიკელი და გადოლინიუმი, გამოირჩევიან ძლიერ მაგნიტიზაციის უნარით და დიდხანს შეინარჩუნონ მაგნიტიზაციის მდგომარეობა. მათ ფერომაგნიტები ეწოდება. ლითონების უმეტესობა (ტუტე და მიწის ტუტე ლითონები და გარდამავალი ლითონების მნიშვნელოვანი ნაწილი) სუსტად მაგნიტიზებულია და არ ინარჩუნებს ამ მდგომარეობას მაგნიტური ველის გარეთ - ეს არის პარამაგნიტები. მეორე, მესამე და ა.შ. სახის ფაზური გადასვლები დაკავშირებულია თერმოდინამიკური პოტენციალის იმ წარმოებულების რიგთან? ფიზიკოსი პოლ ერნესტი (1880 -1933). ასე რომ, მეორე რიგის ფაზის გადასვლის შემთხვევაში, მეორე რიგის წარმოებულები განიცდიან ნახტომებს გარდამავალ წერტილში: სითბოს სიმძლავრე მუდმივი წნევის დროს ?p 2), თერმული გაფართოების კოეფიციენტი b \u003d (1 / V 0) (? 2 f /? Tp), ხოლო პირველი წარმოებულები რჩება უწყვეტი. ეს ნიშნავს, რომ არ ხდება სითბოს გამოყოფა (შთანთქმა) და სპეციფიკური მოცულობის ცვლილება (φ - თერმოდინამიკური პოტენციალი).

ფაზური წონასწორობის მდგომარეობა ხასიათდება გარკვეული კავშირით ფაზური ტრანსფორმაციის ტემპერატურასა და წნევას შორის. რიცხობრივად, ფაზური გადასვლების ეს დამოკიდებულება მოცემულია კლაუზიუს-კლაპეირონის განტოლებით: p/T=q/TV. დაბალ ტემპერატურაზე კვლევა ფიზიკის ძალიან მნიშვნელოვანი დარგია. ფაქტია, რომ ამ გზით შესაძლებელია ქაოტურ თერმულ მოძრაობასთან დაკავშირებული ჩარევის თავიდან აცილება და ფენომენების „სუფთა“ სახით შესწავლა. ეს განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია კვანტური კანონზომიერებების შესწავლისას. ჩვეულებრივ, ქაოტური თერმული მოძრაობის გამო, ფიზიკური სიდიდე საშუალოდ ითვლება მისი სხვადასხვა მნიშვნელობების დიდ რაოდენობაზე და კვანტური ნახტომები „იწურება“.

დაბალი ტემპერატურა (კრიოგენური ტემპერატურა), ფიზიკაში და კრიოგენურ ტექნოლოგიაში ტემპერატურის დიაპაზონი 120°K-ზე (0°C=273°K) ქვემოთაა; კარნოს (იგი მუშაობდა სითბურ ძრავზე) და კლაუსიუსმა ნაშრომმა საფუძველი ჩაუყარა აირებისა და ორთქლის თვისებების ან ტექნიკური თერმოდინამიკის კვლევას. 1850 წელს კლაუსიუსმა შენიშნა, რომ გაჯერებული წყლის ორთქლი გაფართოების დროს ნაწილობრივ კონდენსირდება და შეკუმშვისას ზედმეტად თბება. რენუმ განსაკუთრებული წვლილი შეიტანა ამ სამეცნიერო დისციპლინის განვითარებაში. გაზის მოლეკულების შიდა მოცულობა ოთახის ტემპერატურაზე არის გაზის მიერ დაკავებული მოცულობის დაახლოებით მეათასედი. გარდა ამისა, მოლეკულები იზიდავენ ერთმანეთს უფრო დიდ მანძილზე, საიდანაც იწყება მათი მოგერიება.

ფაზა არის ნივთიერების თერმოდინამიკურად წონასწორული მდგომარეობა, რომელიც განსხვავდება ფიზიკური თვისებებით იმავე ნივთიერების სხვა შესაძლო წონასწორობის მდგომარეობებისგან. თუ, მაგალითად, დახურულ ჭურჭელში არის წყალი, მაშინ ეს სისტემა არის ორფაზიანი:თხევადი ფაზა - წყალი; აირისებრი ფაზა - ჰაერისა და წყლის ორთქლის ნარევი. თუ ყინულის ნაჭრები წყალში ჩააგდეს, მაშინ ეს სისტემა გახდება სამფაზიანი, რომელშიც ყინული არის მყარი ფაზა. ხშირად ცნება „ფაზა“ გამოიყენება აგრეგაციის მდგომარეობის გაგებით, მაგრამ გასათვალისწინებელია, რომ ის უფრო ფართოა, ვიდრე „აგრეგატული მდგომარეობის“ ცნება. აგრეგაციის ერთ მდგომარეობაში, ნივთიერება შეიძლება იყოს რამდენიმე ფაზაში, რომლებიც განსხვავდება მათი თვისებებით, შემადგენლობითა და სტრუქტურით (მაგალითად, ყინული წარმოიქმნება ხუთ სხვადასხვა მოდიფიკაციაში - ფაზაში). ნივთიერების გადასვლა ერთი ფაზიდან მეორეზე - ფაზური გადასვლა - ყოველთვის ასოცირდება ნივთიერების თვისებებში ხარისხობრივ ცვლილებებთან. ფაზური გადასვლის მაგალითი შეიძლება იყოს ნივთიერების საერთო მდგომარეობის ცვლილებები ან გადასვლები, რომლებიც დაკავშირებულია ნივთიერების შემადგენლობის, სტრუქტურისა და თვისებების ცვლილებებთან (მაგალითად, კრისტალური ნივთიერების გადასვლა ერთი მოდიფიკაციიდან მეორეზე).

არსებობს ორი სახის ფაზური გადასვლები. პირველი სახის ფაზურ გადასვლას (მაგალითად, დნობა, კრისტალიზაცია და ა.შ.) თან ახლავს სითბოს შეწოვა ან გამოყოფა, რომელსაც ეწოდება ფაზის გადასვლის სითბო. პირველი ტიპის ფაზური გადასვლები ხასიათდება ტემპერატურის მუდმივობით, ენტროპიისა და მოცულობის ცვლილებებით. ამის ახსნა შეიძლება შემდეგი სახით. მაგალითად, დნობის დროს, გარკვეული რაოდენობის სითბო უნდა გადაეცეს სხეულს, რათა გამოიწვიოს ბროლის გისოსების განადგურება. დნობის დროს მიწოდებული სითბო მიდის არა სხეულის გასათბობად, არამედ ატომთაშორისი ბმების გასაწყვეტად, ამიტომ დნობა მიმდინარეობს მუდმივ ტემპერატურაზე. ასეთ გადასვლებში - უფრო მოწესრიგებული კრისტალური მდგომარეობიდან ნაკლებად მოწესრიგებულ თხევად მდგომარეობაში - იზრდება უწესრიგობის ხარისხი, ანუ თერმოდინამიკის მეორე კანონის მიხედვით, ეს პროცესი დაკავშირებულია სისტემის ენტროპიის ზრდასთან. თუ გადასვლა ხდება საპირისპირო მიმართულებით (კრისტალიზაცია), მაშინ სისტემა გამოყოფს სითბოს.

ფაზურ გადასვლებს, რომლებიც არ არის დაკავშირებული სითბოს შეწოვასთან ან გათავისუფლებასთან და მოცულობის ცვლილებასთან, მეორე რიგის ფაზურ გადასვლებს უწოდებენ. ეს გადასვლები ხასიათდება მუდმივი მოცულობით და ენტროპიით, მაგრამ სითბოს სიმძლავრის მკვეთრი ცვლილებით. მეორე სახის ფაზური გადასვლების ზოგადი ინტერპრეტაცია შემოგვთავაზა აკადემიკოსმა L. D. Landau-მ (1908-1968). ამ ინტერპრეტაციის თანახმად, მეორე რიგის ფაზის გადასვლები დაკავშირებულია სიმეტრიის ცვლილებასთან: გარდამავალი წერტილის ზემოთ, სისტემას, როგორც წესი, აქვს უფრო მაღალი სიმეტრია, ვიდრე გარდამავალი წერტილის ქვემოთ. მეორე სახის ფაზური გადასვლის მაგალითებია: ფერომაგნიტური ნივთიერებების (რკინა, ნიკელი) გადასვლა პარამაგნიტურ მდგომარეობაში გარკვეულ წნევასა და ტემპერატურაზე; ლითონებისა და ზოგიერთი შენადნობის გადასვლა 0 K-თან ახლოს ტემპერატურაზე ზეგამტარ მდგომარეობაში, რომელიც ხასიათდება ელექტრული წინააღმდეგობის ნულამდე მკვეთრი დაქვეითებით; ჩვეულებრივი თხევადი ჰელიუმის (ჰელიუმი I) ტრანსფორმაცია T=2.9K-ზე სხვა თხევად მოდიფიკაციად (ჰელიუმ II) ზესთხევადობის თვისებებით.

ფაზები- ეს არის ფიზიკურ-ქიმიური სისტემების სხვადასხვა ერთგვაროვანი ნაწილები. ნივთიერება ერთგვაროვანია, როდესაც ნივთიერების მდგომარეობის ყველა პარამეტრი ერთნაირია მის ყველა ელემენტარულ მოცულობაში, რომლის ზომები დიდია ატომთაშორის მდგომარეობებთან შედარებით. სხვადასხვა გაზების ნარევები ყოველთვის ქმნიან ერთ ფაზას, თუ ისინი ერთნაირი კონცენტრაციით არიან მთელ მოცულობაში. ერთი და იგივე ნივთიერება, გარე პირობებიდან გამომდინარე, შეიძლება იყოს აგრეგაციის სამი მდგომარეობიდან ერთ-ერთში - თხევადი, მყარი ან აირისებრი. ფაზები არის აგრეგაციის გარკვეული მდგომარეობის სტაბილური მდგომარეობა. ფაზის ცნება უფრო ფართოა, ვიდრე მთლიანი მდგომარეობის ცნება.

გარე პირობებიდან გამომდინარე, სისტემა შეიძლება იყოს წონასწორობაში ერთ ფაზაში ან ერთდროულად რამდენიმე ფაზაში. მათი წონასწორული არსებობა ე.წ ფაზის ბალანსი.

აორთქლებადა კონდენსაცია -ხშირად შეინიშნება წყლის ფაზური გადასვლები ბუნებრივ გარემოში. როდესაც წყალი ორთქლში გადადის, პირველად ხდება აორთქლება - სითხის ზედაპირული ფენის ორთქლზე გადასვლა, ხოლო მხოლოდ ყველაზე სწრაფი მოლეკულები გადადიან ორთქლში: მათ უნდა გადალახონ მიმდებარე მოლეკულების მიზიდულობა, შესაბამისად მათი საშუალო კინეტიკური ენერგია და, შესაბამისად, სითხის ტემპერატურის შემცირება. შეინიშნება ყოველდღიურ ცხოვრებაში და საპირისპირო პროცესი - კონდენსაცია. ორივე ეს პროცესი დამოკიდებულია გარე პირობებზე. ზოგიერთ შემთხვევაში მათ შორის მყარდება დინამიური წონასწორობა, როდესაც სითხედან გამოსული მოლეკულების რაოდენობა ტოლდება მასში დაბრუნებული მოლეკულების რაოდენობას. სითხეში მოლეკულები შეკრულია მიმზიდველი ძალებით, რომლებიც აკავებენ მათ სითხეში. თუ საშუალო სიჩქარის მქონე მოლეკულები ზედაპირთან ახლოს არიან, მათ შეუძლიათ დატოვონ იგი. შემდეგ დარჩენილი მოლეკულების საშუალო სიჩქარე შემცირდება და სითხის ტემპერატურა დაიკლებს. მუდმივ ტემპერატურაზე აორთქლების მიზნით, სითხეს გარკვეული რაოდენობის სითბო უნდა მიეცეს: ქ= rt,სადაც r არის აორთქლების სპეციფიკური სითბო, რომელიც მცირდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად. ოთახის ტემპერატურაზე, წყლის ერთი მოლეკულისთვის, აორთქლების სითბო არის 10 -20 ჯ, ხოლო თერმული მოძრაობის საშუალო ენერგია არის 6.06 10 -21 ჯ. ეს ნიშნავს, რომ

მოლეკულები ენერგიით, რომელიც 10-ჯერ აღემატება თერმული მოძრაობის ენერგიას. თხევადი ზედაპირის გავლისას სწრაფი მოლეკულის პოტენციური ენერგია იზრდება, ხოლო კინეტიკური ენერგია მცირდება. ამრიგად, ორთქლისა და სითხის მოლეკულების საშუალო კინეტიკური ენერგია თერმული წონასწორობის დროს თანაბარია.

გაჯერებული ორთქლი -ეს არის ორთქლი დინამიურ წონასწორობაში, მოცემული ტემპერატურის შესაბამისი, თავისი სითხით. გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ ის არ ემორჩილება ბოილ-მარიოტის კანონს, რადგან მისი წნევა არ არის დამოკიდებული მოცულობაზე. გაჯერებული ორთქლის წნევა არის ყველაზე მაღალი წნევა, რომელიც შეიძლება ჰქონდეს ორთქლს მოცემულ ტემპერატურაზე. წყლის აორთქლებისა და კონდენსაციის პროცესები იწვევს რთულ ურთიერთქმედებას ატმოსფეროსა და ჰიდროსფეროს შორის, რაც მნიშვნელოვანია ამინდისა და კლიმატის ფორმირებისთვის. ატმოსფეროსა და ჰიდროსფეროს შორის ხდება მატერიის (წყლის ციკლი) და ენერგიის უწყვეტი გაცვლა.

კვლევებმა აჩვენა, რომ მსოფლიო ოკეანის ზედაპირიდან დღეში დაახლოებით 7000 კმ 3 წყალი ორთქლდება, რაც დედამიწის ჰიდროსფეროს 94%-ს შეადგენს და დაახლოებით იგივე რაოდენობა მოდის ნალექების სახით. წყლის ორთქლი, ჰაერის კონვექციური მოძრაობით გადატანილი, ამოდის მაღლა და შედის ტროპოსფეროს ცივ ფენებში. როდესაც ის იზრდება, ორთქლი უფრო და უფრო გაჯერებულია, შემდეგ კონდენსირდება წვიმის წვეთებით. ტროპოსფეროში ორთქლის კონდენსაციის პროცესში დღეში გამოიყოფა დაახლოებით 1,6-10 22 J სითბო, რაც ათობით ათასი ჯერ აღემატება კაცობრიობის მიერ ერთსა და იმავე დროს გამომუშავებულ ენერგიას.

მდუღარე- სითხის ორთქლად გადაქცევის პროცესი ორთქლით სავსე ბუშტების გაჩენის შედეგად. დუღილი ხდება მთელ მოცულობაში. მდუღარე სითხის ზედაპირზე ბუშტების გახეთქვა მიუთითებს იმაზე, რომ მათში ორთქლის წნევა აღემატება სითხის ზედაპირის ზემოთ არსებულ წნევას. 100 °C ტემპერატურაზე გაჯერებული ორთქლის წნევა უდრის ჰაერის წნევას სითხის ზედაპირის ზემოთ (ასე შეირჩა სასწორის ეს წერტილი). 5 კმ სიმაღლეზე ჰაერის წნევა ნახევრად მეტია და წყალი იქ დუღს 82 ° C-ზე, ხოლო ტროპოსფეროს საზღვარზე (17 კმ) - დაახლოებით 65 ° C-ზე. ამრიგად, სითხის დუღილის წერტილი შეესაბამება ტემპერატურას, რომლის დროსაც მისი გაჯერებული ორთქლის წნევა უდრის გარე წნევას. მთვარის სუსტი გრავიტაციული ველი (თავის ზედაპირთან თავისუფალი ვარდნის აჩქარება მხოლოდ 1,7 მ/წმ 2) არ ძალუძს ატმოსფეროს შენარჩუნებას და ატმოსფერული წნევის არარსებობის შემთხვევაში, სითხე მყისიერად იმატებს, ამიტომ მთვარე. ზღვები“ უწყლოა და წარმოიქმნება გაყინული ლავისგან. ამავე მიზეზით უწყლოა მარსის „არხებიც“.

ნივთიერება შეიძლება იყოს წონასწორობაში და სხვადასხვა ფაზაში. ასე რომ, გაზის გათხევადებისას ფაზური წონასწორობის მდგომარეობაში, მოცულობა შეიძლება იყოს ნებისმიერი, ხოლო გარდამავალი ტემპერატურა დაკავშირებულია გაჯერების ორთქლის წნევასთან. ფაზის წონასწორობის მრუდის მიღება შესაძლებელია სიბრტყეზე პროექციის გზით (p, t)თხევად მდგომარეობაში გადასვლის სფეროები. ანალიტიკურად, ორი ფაზის წონასწორობის მრუდი განისაზღვრება კლაუზიუს-კლაპეირონის დიფერენციალური განტოლების ამოხსნით. ანალოგიურად, შესაძლებელია დნობის და სუბლიმაციის მრუდების მიღება, რომლებიც დაკავშირებულია სიბრტყის ერთ წერტილში. (R, D), სამმაგ წერტილში (იხ. ნახ. 7.1), სადაც გარკვეული პროპორციებით ისინი თანაბარია

სამივე ფაზა. წყლის სამმაგი წერტილი შეესაბამება წნევას 569,24 Pa და ტემპერატურას -0,0075 °C; ნახშირორჟანგი - 5,18 10 5 Pa და 56,6 ° C, შესაბამისად. ამიტომ, ატმოსფერული წნევის დროს R,ტოლია 101,3 კპა, ნახშირორჟანგი შეიძლება იყოს მყარ ან აირისებრ მდგომარეობაში. კრიტიკულ ტემპერატურაზე სითხისა და ორთქლის ფიზიკური თვისებები ერთნაირი ხდება. კრიტიკულ წერტილზე ზემოთ ტემპერატურაზე ნივთიერება შეიძლება იყოს მხოლოდ აირის მდგომარეობაში. წყლისთვის - T= 374.2 °С, რ= 22,12 მპა; ქლორისთვის - 144 ° C და 7.71 მპა, შესაბამისად.

გარდამავალი ტემპერატურა არის ტემპერატურა, რომლის დროსაც ხდება გადასვლა ერთი ფაზიდან მეორეზე. ისინი დამოკიდებულნი არიან წნევაზე, თუმცა სხვადასხვა ხარისხით: დნობის წერტილი უფრო სუსტია, აორთქლების და სუბლიმაციის ტემპერატურა უფრო ძლიერია. ნორმალურ და მუდმივ წნევაზე გადასვლა ხდება გარკვეულ ტემპერატურაზე და აქ ხდება დნობის, დუღილის და სუბლიმაციის (ან სუბლიმაციის) წერტილები.

მატერიის გადასვლა მყარი მდგომარეობიდან პირდაპირ აირისებურ მდგომარეობაში შეიძლება შეინიშნოს, მაგალითად, კომეტის კუდების გარსებში. როდესაც კომეტა მზიდან შორს არის, მისი თითქმის მთელი მასა კონცენტრირებულია მის ბირთვში, რომლის ზომებია 10-12 კმ. ბირთვს აკრავს გაზის პატარა გარსი - ეს არის კომეტის თავი. მზესთან მიახლოებისას კომეტის ბირთვი და გარსი იწყებს გათბობას, იზრდება სუბლიმაციის ალბათობა და მცირდება დესუბლიმაცია (საპირისპირო პროცესი). კომეტის ბირთვიდან გამომავალი აირები ატარებენ მყარ ნაწილაკებს, კომეტის თავი იზრდება მოცულობაში და ხდება გაზისა და მტვრის შემადგენლობით. კომეტის ბირთვის წნევა ძალიან დაბალია, ამიტომ თხევადი ფაზა არ ხდება. თავთან ერთად კომეტის კუდიც იზრდება, რომელიც მზისგან შორს არის გადაჭიმული. ზოგიერთ კომეტაში ის აღწევს ასობით მილიონ კილომეტრს პერიჰელიონში, მაგრამ სიმკვრივე კომეტა მატერიაში უმნიშვნელოა. მზესთან ყოველი მიახლოებისას კომეტები კარგავენ მასის დიდ ნაწილს, სულ უფრო და უფრო აქროლადი ნივთიერებები სუბლიმირებულია ბირთვში და თანდათან იშლება მეტეორულ სხეულებად, რომლებიც ქმნიან მეტეორულ წვიმებს. მზის სისტემის არსებობის 5 მილიარდი წლის განმავლობაში ბევრმა კომეტამ თავისი არსებობა ამ გზით დაასრულა.

1986 წლის გაზაფხულზე კოსმოსში გაიგზავნა ავტომატური საბჭოთა სადგურები „ვეგა-1“ და „ვეგა-2“ ჰალეის კომეტას შესასწავლად, რომელიც მისგან, შესაბამისად, 9000 და 8200 კმ მანძილზე გაიარა და ნასას სადგური „ჯოტო“. - კომეტის ბირთვიდან მხოლოდ 600 კმ მანძილზე. ბირთვის ზომა იყო 14 x 7,5 კმ, მუქი ფერის და დაახლოებით 400 K ტემპერატურა. როდესაც კოსმოსური სადგურები კომეტის თავში გაივლიდნენ, დაახლოებით 40000 კგ ყინულოვანი მატერია 1 წამში სუბლიმირებული იყო.

გვიან შემოდგომაზე, როდესაც სველი ამინდის შემდეგ მკვეთრი სიცივე დგება, შეგიძლიათ დააკვირდეთ ხეების ტოტებზე და მავთულხლართებზე.

ყინვა არის დეზუბლიმირებული ყინულის კრისტალები. მსგავსი ფენომენი გამოიყენება ნაყინის შენახვისას, ნახშირორჟანგის გაციებისას, რადგან ორთქლში გადამავალი მოლეკულები ენერგიას ატარებენ. მარსზე ნახშირორჟანგის სუბლიმაციისა და დესუბლიმაციის ფენომენები პოლარულ ქუდებში იგივე როლს ასრულებს, როგორც აორთქლება - კონდენსაცია დედამიწის ატმოსფეროში და ჰიდროსფეროში.

როგორც Nernst-მა დაადგინა, სითბოს სიმძლავრე ნულამდე მიდის ულტრა დაბალ ტემპერატურაზე. აქედან, პლანკმა აჩვენა, რომ აბსოლუტურ ნულთან ახლოს, ყველა პროცესი მიმდინარეობს ენტროპიის ცვლილების გარეშე. აინშტაინის თეორიამ დაბალ ტემპერატურაზე მყარი ნივთიერებების სითბოსუნარიანობის შესახებ შესაძლებელი გახადა ნერნსტის შედეგის ფორმულირება, როგორც თერმოდინამიკის მესამე კანონი. დაბალ ტემპერატურაზე დაფიქსირებული ნივთიერებების უჩვეულო თვისებები - ზესთხევადობა და ზეგამტარობა - აიხსნება თანამედროვე თეორიაში, როგორც მაკროსკოპული კვანტური ეფექტები.

ფაზის გადასვლები რამდენიმე სახისაა. ფაზის გადასვლის დროს ტემპერატურა არ იცვლება, მაგრამ იცვლება სისტემის მოცულობა.

პირველი ტიპის ფაზის გადასვლებინივთიერების მთლიანი მდგომარეობების ცვლილებას ეწოდება, თუ: ტემპერატურა მუდმივია მთელი გადასვლისას; იცვლება სისტემის მოცულობა; იცვლება სისტემის ენტროპია. იმისათვის, რომ მოხდეს ასეთი ფაზის გადასვლა, სითბოს გარკვეული რაოდენობა უნდა გადაეცეს ნივთიერების მოცემულ მასას, რომელიც შეესაბამება ტრანსფორმაციის ლატენტურ სითბოს.

მართლაც, უფრო შედედებული ფაზიდან უფრო დაბალი სიმკვრივის ფაზაზე გადასვლისას, გარკვეული რაოდენობის ენერგია უნდა გადაიცეს სითბოს სახით, რომელიც წავა კრისტალური გისოსების გასანადგურებლად (დნობის დროს) ან ამოიღონ თხევადი მოლეკულები თითოეულიდან. სხვა (აორთქლების დროს). ტრანსფორმაციის დროს ლატენტური სითბო იხარჯება შეკრული ძალების დასაძლევად, თერმული მოძრაობის ინტენსივობა არ იცვლება, რის შედეგადაც ტემპერატურა მუდმივი რჩება. ასეთი გადასვლისას იზრდება უწესრიგობის ხარისხი და, შესაბამისად, ენტროპია. თუ პროცესი საპირისპირო მიმართულებით მიდის, მაშინ ლატენტური სითბო გამოიყოფა.

მეორე ტიპის ფაზის გადასვლებიასოცირდება სისტემის სიმეტრიის ცვლილებასთან: გარდამავალი წერტილის ზემოთ, სისტემას, როგორც წესი, აქვს უფრო მაღალი სიმეტრია, როგორც L.D. Landau აჩვენა 1937 წელს. მაგალითად, მაგნიტში, გარდამავალი წერტილის ზემოთ დატრიალების მომენტები შემთხვევით არის ორიენტირებული და ყველა ტრიალის ერთდროული ბრუნვა ერთი და იგივე ღერძის გარშემო ერთი და იგივე კუთხით არ ცვლის სისტემის თვისებებს. გარდამავალი წერტილების ქვემოთ სპინებს აქვთ გარკვეული უპირატესი ორიენტაცია და მათი ერთდროული ბრუნვა ცვლის სისტემის მაგნიტური მომენტის მიმართულებას. ლანდაუმ შემოიღო შეკვეთის კოეფიციენტი და გააფართოვა თერმოდინამიკური პოტენციალი ამ კოეფიციენტის სიმძლავრეებში გარდამავალ წერტილში, რის საფუძველზეც მან ააშენა ყველა შესაძლო ტიპის გადასვლის კლასიფიკაცია.

დოვ, ისევე როგორც ზესთხევადობის და ზეგამტარობის ფენომენების თეორია. ამის საფუძველზე ლანდაუმ და ლიფშიცმა განიხილეს მრავალი მნიშვნელოვანი პრობლემა - ფეროელექტრის გადასვლა პარაელექტრიკზე, ფერომაგნიტი პარამაგნიტზე, ხმის შთანთქმა გარდამავალ წერტილში, ლითონებისა და შენადნობების გადასვლა ზეგამტარ მდგომარეობაში და ა.შ.

სტატისტიკურ მექანიკაზე დაფუძნებული სისტემის თერმოდინამიკური თვისებების გამოთვლა გულისხმობს სისტემის კონკრეტული მოდელის არჩევას და რაც უფრო რთულია სისტემა, მით უფრო მარტივი უნდა იყოს მოდელი. ე. ისინგმა შემოგვთავაზა ფერომაგნიტის მოდელი (1925) და გადაჭრა ერთგანზომილებიანი ჯაჭვის პრობლემა უახლოეს მეზობლებთან ურთიერთქმედების გათვალისწინებით ნებისმიერი ველისა და ტემპერატურისთვის. ინტენსიური ურთიერთქმედების მქონე ნაწილაკების ასეთი სისტემების მათემატიკური აღწერისას არჩეულია გამარტივებული მოდელი, როდესაც ხდება მხოლოდ წყვილის ტიპის ურთიერთქმედება (ასეთ ორგანზომილებიან მოდელს ეწოდება ისინგის გისოსი). მაგრამ ფაზური გადასვლები ყოველთვის არ იყო გათვლილი, ალბათ, ზოგიერთი გაუთვალისწინებელი ფენომენის გამო, რომელიც საერთოა მრავალი ნაწილაკების სისტემებისთვის, და თავად ნაწილაკების ბუნებას (თხევადი ნაწილაკები ან მაგნიტები) მნიშვნელობა არ აქვს. L. Onsager-მა მისცა ზუსტი ამოხსნა ორგანზომილებიანი Ising მოდელისთვის (1944). მან მოათავსა დიპოლები მედის კვანძებში, რომლებსაც შეუძლიათ ორიენტირება მხოლოდ ორი გზით და თითოეულ ასეთ დიპოლს შეუძლია მხოლოდ მეზობელთან ურთიერთქმედება. აღმოჩნდა, რომ გარდამავალ წერტილში სითბური სიმძლავრე მიდის უსასრულობამდე ლოგარითმული კანონის მიხედვით სიმეტრიულად გარდამავალი წერტილის ორივე მხარეს. მოგვიანებით გაირკვა, რომ ეს დასკვნა ძალიან მნიშვნელოვანია ყველა მეორე რიგის ფაზის გადასვლისთვის. ონსაგერის ნაშრომმა აჩვენა, რომ სტატისტიკური მექანიკის მეთოდი შესაძლებელს ხდის ფაზური გარდაქმნების ახალი შედეგების მიღებას.

ფაზური გადასვლები მეორე, მესამე და ა.შ. გვარები დაკავშირებულია Ф თერმოდინამიკური პოტენციალის იმ წარმოებულების წესრიგთან, რომლებიც განიცდიან სასრულ ცვლილებებს გარდამავალ წერტილში. ფაზური გარდაქმნების ასეთი კლასიფიკაცია დაკავშირებულია თეორიული ფიზიკოსის პ. ერენფესტთან. მეორე რიგის ფაზის გადასვლის შემთხვევაში, მეორე რიგის წარმოებულები განიცდიან ნახტომებს გარდამავალ წერტილში: სითბოს სიმძლავრე მუდმივი წნევის დროს. C p =, კომპრესიულობა , კოეფიციენტი

თერმული გაფართოების კოეფიციენტი, ხოლო თითო

ყველა წარმოებული რჩება უწყვეტი. ეს ნიშნავს, რომ არ ხდება სითბოს გათავისუფლება (შეწოვა) და არ იცვლება კონკრეტული მოცულობა.

კვანტური ველის თეორიის გამოყენება დაიწყო ნაწილაკების სისტემების გამოთვლებისთვის მხოლოდ 70-იან წლებში. მე -20 საუკუნე სისტემა განიხილებოდა, როგორც ცვლადი საფეხურიანი გისოსი, რამაც შესაძლებელი გახადა გამოთვლების სიზუსტის შეცვლა და რეალური სისტემის აღწერასთან მიახლოება და კომპიუტერის გამოყენება. ამერიკელმა თეორიულმა ფიზიკოსმა C. Wilson-მა, გამოიყენა გამოთვლების ახალი მეთოდი, მიიღო თვისებრივი ნახტომი მეორე რიგის ფაზის გადასვლების გაგებაში, რომლებიც დაკავშირებულია სისტემის სიმეტრიის გადაკეთებასთან. ფაქტობრივად, მან დააკავშირა კვანტური მექანიკა სტატისტიკასთან და მისმა მუშაობამ მიიღო ფუნდამენტური

გონებრივი მნიშვნელობა. ისინი გამოიყენება წვის პროცესებში, ელექტრონიკაში, კოსმოსური ფენომენების და ბირთვული ურთიერთქმედებების აღწერაში. უილსონმა გამოიკვლია კრიტიკული ფენომენების ფართო კლასი და შექმნა მეორე რიგის ფაზის გადასვლების ზოგადი თეორია.

თერმოდინამიკის მნიშვნელოვანი ფილიალი არის ნივთიერების სხვადასხვა ფაზებს შორის გარდაქმნების შესწავლა, რადგან ეს პროცესები ხდება პრაქტიკაში და ფუნდამენტური მნიშვნელობა აქვს გარკვეულ პირობებში სისტემის ქცევის პროგნოზირებისთვის. ამ გარდაქმნებს უწოდებენ ფაზურ გადასვლებს, რომლებსაც ეძღვნება სტატია.

ფაზის და სისტემის კომპონენტის კონცეფცია

სანამ ფიზიკაში ფაზური გადასვლების განხილვას გადავიტანთ, საჭიროა განვსაზღვროთ თავად ფაზის ცნება. როგორც ზოგადი ფიზიკის კურსიდან არის ცნობილი, მატერიის სამი მდგომარეობაა: აირისებრი, მყარი და თხევადი. მეცნიერების სპეციალურ განყოფილებაში - თერმოდინამიკაში - კანონები ჩამოყალიბებულია მატერიის ფაზებისთვის და არა მათი აგრეგაციის მდგომარეობებისთვის. ფაზა გაგებულია, როგორც მატერიის გარკვეული მოცულობა, რომელსაც აქვს ერთგვაროვანი სტრუქტურა, ხასიათდება სპეციფიკური ფიზიკური და ქიმიური თვისებებით და დანარჩენი მატერიისგან გამოყოფილია საზღვრებით, რომლებსაც ინტერფაზა ეწოდება.

ამრიგად, "ფაზის" კონცეფცია შეიცავს ბევრად უფრო მნიშვნელოვან ინფორმაციას მატერიის თვისებების შესახებ, ვიდრე მისი აგრეგაციის მდგომარეობა. მაგალითად, ლითონის მყარი მდგომარეობა, როგორიცაა რკინა, შეიძლება იყოს შემდეგ ფაზებში: დაბალი ტემპერატურის მაგნიტური სხეულზე ორიენტირებული კუბური (BCC), დაბალი ტემპერატურის არამაგნიტური bcc, სახეზე ორიენტირებული კუბური (fcc) და მაღალი ტემპერატურის არამაგნიტური bcc.

„ფაზის“ ცნების გარდა, თერმოდინამიკის კანონებში ასევე გამოიყენება ტერმინი „კომპონენტები“, რაც ნიშნავს ქიმიური ელემენტების რაოდენობას, რომლებიც ქმნიან კონკრეტულ სისტემას. ეს ნიშნავს, რომ ფაზა შეიძლება იყოს როგორც მონოკომპონენტიანი (1 ქიმიური ელემენტი) ასევე მრავალკომპონენტიანი (რამდენიმე ქიმიური ელემენტი).

გიბსის თეორემა და წონასწორობა სისტემის ფაზებს შორის

ფაზური გადასვლების გასაგებად, აუცილებელია ვიცოდეთ მათ შორის წონასწორობის პირობები. ეს პირობები შეიძლება მათემატიკურად მივიღოთ გიბსის განტოლებების სისტემის ამოხსნით თითოეული მათგანისთვის, თუ ვივარაუდებთ, რომ წონასწორობის მდგომარეობა მიიღწევა მაშინ, როდესაც გარე გავლენისგან იზოლირებული სისტემის ჯამური გიბსის ენერგია შეწყვეტს ცვლილებას.

განტოლებათა ამ სისტემის ამოხსნის შედეგად მიიღება რამდენიმე ფაზას შორის წონასწორობის არსებობის პირობები: იზოლირებული სისტემა შეწყვეტს განვითარებას მხოლოდ მაშინ, როცა თითოეული კომპონენტის წნევა, ქიმიური პოტენციალი და ტემპერატურა ყველა ფაზაში ერთმანეთს უტოლდება.

გიბის ფაზის წესი წონასწორობისთვის

სისტემა, რომელიც შედგება რამდენიმე ფაზისა და კომპონენტისგან, შეიძლება იყოს წონასწორობაში არა მხოლოდ გარკვეულ პირობებში, მაგალითად, კონკრეტულ ტემპერატურასა და წნევაზე. წონასწორობისთვის გიბსის თეორემაში ზოგიერთი ცვლადი შეიძლება შეიცვალოს ფაზების და კომპონენტების რაოდენობის შენარჩუნებით, რომლებიც ამ წონასწორობაშია. ცვლადების რაოდენობას, რომლებიც შეიძლება შეიცვალოს სისტემაში წონასწორობის დარღვევის გარეშე, ეწოდება ამ სისტემის თავისუფლებების რაოდენობას.

f ფაზებისა და k კომპონენტებისგან შემდგარი სისტემის l თავისუფლებების რაოდენობა ცალსახად განისაზღვრება გიბსის ფაზის წესიდან. ეს წესი მათემატიკურად იწერება შემდეგნაირად: l + f = k + 2. როგორ ვიმუშაოთ ამ წესთან? Ძალიან მარტივი. მაგალითად, ცნობილია, რომ სისტემა შედგება f=3 წონასწორობის ფაზისაგან. რა არის კომპონენტების მინიმალური რაოდენობა, რომელიც შეიძლება შეიცავდეს ასეთ სისტემას? თქვენ შეგიძლიათ უპასუხოთ კითხვას შემდეგი მსჯელობით: წონასწორობის შემთხვევაში, ყველაზე მკაცრი პირობები არსებობს, როდესაც ის რეალიზდება მხოლოდ გარკვეულ ინდიკატორებზე, ანუ ნებისმიერი თერმოდინამიკური პარამეტრის ცვლილება გამოიწვევს დისბალანსს. ეს ნიშნავს, რომ თავისუფლებების რაოდენობა l=0. l და f-ის ცნობილი მნიშვნელობების ჩანაცვლებით ვიღებთ k=1, ანუ სისტემა, რომელშიც სამი ფაზა წონასწორობაშია, შეიძლება შედგებოდეს ერთი კომპონენტისგან. ნათელი მაგალითია წყლის სამმაგი წერტილი, როდესაც ყინული, თხევადი წყალი და ორთქლი წონასწორობაშია სპეციფიკურ ტემპერატურასა და წნევაზე.

ფაზური გარდაქმნების კლასიფიკაცია

თუ წონასწორობაში მყოფ სისტემაში რაღაცის შეცვლას დაიწყებთ, მაშინ შეგიძლიათ დააკვირდეთ, როგორ გაქრება ერთი ფაზა და გამოჩნდება მეორე. ამ პროცესის მარტივი მაგალითია ყინულის დნობა მისი გაცხელებისას.

იმის გათვალისწინებით, რომ გიბსის განტოლება დამოკიდებულია მხოლოდ ორ ცვლადზე (წნევა და ტემპერატურა) და ფაზური გადასვლა გულისხმობს ამ ცვლადების ცვლილებას, მაშინ მათემატიკურად ფაზებს შორის გადასვლა შეიძლება აღწერილი იყოს გიბსის ენერგიის დიფერენცირებით მის ცვლადებთან მიმართებაში. სწორედ ეს მიდგომა გამოიყენა ავსტრიელმა ფიზიკოსმა პოლ ერენფესტმა 1933 წელს, როდესაც მან შეადგინა ყველა ცნობილი თერმოდინამიკური პროცესის კლასიფიკაცია, რომელიც ხდება ფაზის წონასწორობის ცვლილებით.

თერმოდინამიკის საფუძვლებიდან გამომდინარეობს, რომ გიბის ენერგიის პირველი წარმოებული ტემპერატურის მიმართ უდრის სისტემის ენტროპიის ცვლილებას. გიბსის ენერგიის წარმოებული წნევის მიმართ უდრის მოცულობის ცვლილებას. თუ, როდესაც სისტემაში ფაზები იცვლება, ენტროპია ან მოცულობა განიცდის შესვენებას, ანუ ისინი მკვეთრად იცვლება, მაშინ ისინი საუბრობენ პირველი რიგის ფაზის გადასვლაზე.

გარდა ამისა, გიბსის ენერგიის მეორე წარმოებულები ტემპერატურისა და წნევის მიმართ არის სითბოს სიმძლავრე და მოცულობითი გაფართოების კოეფიციენტი, შესაბამისად. თუ ფაზებს შორის ტრანსფორმაციას თან ახლავს მითითებული ფიზიკური რაოდენობების მნიშვნელობების შეწყვეტა, მაშინ საუბარია მეორე რიგის ფაზის გადასვლაზე.

ფაზებს შორის გარდაქმნების მაგალითები

ბუნებაში დიდი რაოდენობითაა სხვადასხვა გადასვლები. ამ კლასიფიკაციის ფარგლებში, პირველი ტიპის გადასვლების თვალსაჩინო მაგალითებია ლითონების დნობის პროცესები ან ჰაერიდან წყლის ორთქლის კონდენსაცია, როდესაც სისტემაში ხდება მოცულობის ნახტომი.

თუ ვსაუბრობთ მეორე სახის გადასვლებზე, მაშინ ნათელი მაგალითებია რკინის ტრანსფორმაცია მაგნიტურიდან პარამაგნიტურ მდგომარეობაში 768 ºC ტემპერატურაზე ან მეტალის გამტარის გადაქცევა ზეგამტარ მდგომარეობაში ტემპერატურაზე აბსოლუტურ ნულთან ახლოს.

განტოლებები, რომლებიც აღწერს პირველი სახის გადასვლებს

პრაქტიკაში ხშირად საჭიროა ვიცოდეთ, თუ როგორ იცვლება ტემპერატურა, წნევა და აბსორბირებული (გამოთავისუფლებული) ენერგია სისტემაში, როდესაც მასში ხდება ფაზური გარდაქმნები. ამ მიზნით გამოიყენება ორი მნიშვნელოვანი განტოლება. ისინი მიიღება თერმოდინამიკის საფუძვლების ცოდნის საფუძველზე:

1. კლაპეირონის ფორმულა, რომელიც ადგენს ურთიერთობას წნევასა და ტემპერატურას შორის სხვადასხვა ფაზებს შორის გარდაქმნების დროს.
2. კლაუსიუსის ფორმულა, რომელიც აკავშირებს შთანთქმის (გამოთავისუფლებულ) ენერგიას და სისტემის ტემპერატურას ტრანსფორმაციის დროს.

ორივე განტოლების გამოყენება ხდება არა მხოლოდ ფიზიკური სიდიდეების რაოდენობრივი დამოკიდებულების მისაღებად, არამედ ფაზურ დიაგრამებში წონასწორობის მრუდების დახრილობის ნიშნის განსაზღვრაში.

განტოლება მეორე სახის გადასვლების აღწერისთვის

1-ლი და მე-2 ტიპის ფაზური გადასვლები აღწერილია სხვადასხვა განტოლებით, ვინაიდან მეორე ტიპის გადასვლებისთვის კლაუსიუსის და გამოყენება იწვევს მათემატიკურ გაურკვევლობას.

ამ უკანასკნელის აღსაწერად გამოიყენება ერენფესტის განტოლებები, რომლებიც ადგენენ კავშირს წნევისა და ტემპერატურის ცვლილებებს შორის ტრანსფორმაციის პროცესში სითბოს სიმძლავრის ცვლილებისა და მოცულობითი გაფართოების კოეფიციენტის ცოდნის მეშვეობით. ერენფესტის განტოლებები გამოიყენება გამტარ-ზეგამტარის გადასვლების აღსაწერად მაგნიტური ველის არარსებობის შემთხვევაში.

ფაზური დიაგრამების მნიშვნელობა

ფაზის დიაგრამები არის იმ უბნების გრაფიკული წარმოდგენა, რომლებშიც შესაბამისი ფაზები წონასწორობაშია. ეს ადგილები გამოყოფილია წონასწორობის ხაზებით ფაზებს შორის. ხშირად გამოიყენება P-T (წნევა-ტემპერატურა), T-V (ტემპერატურა-მოცულობის) და P-V (წნევა-მოცულობის) ცულები.

ფაზური დიაგრამების მნიშვნელობა მდგომარეობს იმაში, რომ ისინი საშუალებას გაძლევთ წინასწარ განსაზღვროთ რა ფაზაში იქნება სისტემა, როდესაც გარე პირობები შესაბამისად შეიცვლება. ეს ინფორმაცია გამოიყენება სხვადასხვა მასალის თერმული დამუშავებისას სასურველი თვისებების მქონე სტრუქტურის მისაღებად.