TRANSIÇÃO DE FASE, transformação de fase, em sentido amplo - a transição de uma substância de uma fases para outro quando as condições externas mudam - temperatura, pressão, magnética e elétrica. campos, etc.; no sentido estrito - uma mudança abrupta no físico. propriedades com uma mudança contínua nos parâmetros externos. A diferença entre as duas interpretações do termo "F. p." visto no exemplo a seguir. Em sentido estrito, a transição de uma substância da fase gasosa para a fase plasmática (cf. Plasma) não é um F. p., pois ionizacao gás ocorre gradualmente, mas em sentido amplo é F. p. Neste artigo, o termo "F. p." considerada em sentido estrito.

O valor da temperatura, pressão ou k.-l. outro físico As quantidades nas quais ocorre uma transição de fase são chamadas de ponto de transição.

Existem F. p. de dois tipos. Durante F.p. do primeiro tipo, tais condições termodinâmicas mudam abruptamente. características de uma substância, como densidade, concentração de componentes; em uma unidade de massa, uma quantidade muito definida de calor é liberada ou absorvida, o que é chamado. calor de transição. Com F. p. do segundo tipo de algum tipo de físico. um valor igual a zero em um lado do ponto de transição aumenta gradualmente (a partir de zero) à medida que você se afasta do ponto de transição para o outro lado. Neste caso, a densidade e as concentrações mudam continuamente, o calor não é liberado ou absorvido.

F.p. é um fenômeno generalizado na natureza. Os fenômenos fônicos do primeiro tipo incluem: evaporação e condensação, fusão e solidificação, sublimação e condensação em uma fase sólida e certas transições estruturais em sólidos, por exemplo. Educação martensita em uma liga ferro-carbono. NO antiferromagnetos com um eixo de magnetização de sub-redes magnéticas Uma transição de fase do primeiro tipo ocorre em um campo magnético externo direcionado ao longo do eixo. Em um determinado valor do campo, os momentos das sub-redes magnéticas são girados perpendicularmente à direção do campo (ocorre "inversão" da sub-rede). Em supercondutores puros, um campo magnético induz uma transição de fase do primeiro tipo do estado supercondutor para o estado normal. .

No zero absoluto temperatura e um volume fixo, a fase com o menor valor de energia é termodinamicamente equilíbrio. Uma transição de fase do primeiro tipo, neste caso, ocorre naqueles valores de pressão e campos externos nos quais as energias de duas fases diferentes são comparadas. Se você não corrigir o volume do corpo V, e a pressão R, então em um estado termodinâmico. equilíbrio, o mínimo é a energia de Gibbs F (ou G), e no ponto de transição em equilíbrio de fase existem fases com os mesmos valores de F .

Muitas substâncias a baixas pressões cristalizam em estruturas frouxamente compactadas. Por exemplo, cristalino hidrogênio consiste em moléculas localizadas a distâncias relativamente grandes umas das outras; estrutura grafiteé uma série de camadas distantes de átomos de carbono. Em pressões suficientemente altas, tais estruturas soltas correspondem a grandes valores da energia de Gibbs. Valores mais baixos de Ф nessas condições correspondem a fases compactas de equilíbrio. Portanto, em altas pressões, o grafite se transforma em diamante, e molecular cristalino. hidrogênio deve ir para atômico (metal). líquidos quânticos 3 He e 4 He permanecem líquidos à pressão normal até as temperaturas mais baixas alcançadas (T ~ 0,001 K). A razão para isso é a fraca interação das partículas e a grande amplitude de suas oscilações em temp-pax próximo ao abs. zero (as chamadas oscilações zero ). No entanto, um aumento na pressão (até 20 caixa eletrônico em T = 0 K) leva à solidificação do hélio líquido. Em temp-pax diferente de zero e dada a pressão e temperatura, a fase de equilíbrio ainda é a fase com a energia de Gibbs mínima (a energia mínima, da qual o trabalho das forças de pressão e a quantidade de calor relatada ao sistema são subtraídos) .

Para F. p. I tipo é caracterizado pela existência de uma região de equilíbrio metaestável próxima à curva F. p. I tipo (por exemplo, um líquido pode ser aquecido a uma temperatura acima do ponto de ebulição ou super-resfriado abaixo do ponto de congelamento) . Estados metaestáveis existem há bastante tempo, pois a formação de uma nova fase com valor de F mais baixo (termodinamicamente mais favorável) começa com o aparecimento de núcleos desta fase. O ganho no valor de Φ durante a formação de um núcleo é proporcional ao seu volume, e a perda é proporcional à área de superfície (ao valor energia superficial). Os pequenos embriões resultantes aumentam F, e, portanto, com uma probabilidade esmagadora, eles diminuirão e desaparecerão. No entanto, os núcleos que atingiram um certo tamanho crítico crescem e toda a substância passa para uma nova fase. A formação do embrião é crítica. tamanho é um processo muito improvável e ocorre muito raramente. A probabilidade de formação de núcleos é crítica. o tamanho aumenta se a substância contiver inclusões macroscópicas estranhas. tamanhos (por exemplo, partículas de poeira em um líquido). perto ponto crítico a diferença entre as fases de equilíbrio e a energia de superfície diminui, núcleos de grandes tamanhos e formas bizarras são facilmente formados, o que afeta as propriedades da substância .

Exemplos do tipo F. p. II - o aparecimento (abaixo de uma certa temperatura em cada caso) de um momento magnético em um ímã durante a transição paraímã - ferroímã, ordenação antiferromagnética durante a transição paraímã - antiferromagneto, o aparecimento de supercondutividade em metais e ligas, a ocorrência de superfluidez em 4 He e 3 He, o ordenamento de ligas, o aparecimento de polarização espontânea (espontânea) da matéria durante a transição de paraelétricos ferroelétrico etc.

L.D. Landau(1937) propuseram uma interpretação geral de todos os PTs do segundo tipo como pontos de mudança na simetria: acima do ponto de transição, o sistema tem uma simetria maior do que abaixo do ponto de transição. Por exemplo, em um ímã acima do ponto de transição da direção dos momentos magnéticos elementares (rotaciona) partículas são distribuídas aleatoriamente. Portanto, a rotação simultânea de todos os giros não altera o físico. propriedades do sistema. Abaixo dos pontos de transição, as costas têm uma orientação preferencial. Sua rotação simultânea altera a direção do momento magnético do sistema. Outro exemplo: em uma liga de dois componentes, cujos átomos A e B localizado nos nós de um cúbico simples estrutura de cristal, o estado desordenado é caracterizado por uma distribuição caótica dos átomos L e B sobre os sítios da rede, de modo que um deslocamento da rede por um período não altera suas propriedades. Abaixo do ponto de transição, os átomos da liga são ordenados: ...ABAB... Um deslocamento de tal rede por um período leva à substituição de todos os átomos A por B ou vice-versa. Como resultado do estabelecimento da ordem no arranjo dos átomos, a simetria da rede diminui.

A própria simetria aparece e desaparece abruptamente. No entanto, o valor que caracteriza a assimetria (parâmetro de ordem) pode mudar continuamente. Para uma transição de fase do segundo tipo, o parâmetro de ordem é igual a zero acima do ponto de transição e no próprio ponto de transição. De maneira semelhante se comporta, por exemplo, o momento magnético de um ferroímã, elétrico. polarização de um ferroelétrico, densidade do componente superfluido em líquido 4 He, probabilidade de detectar um átomo MAS no local correspondente do cristal. grades de liga de dois componentes, etc.

A ausência de saltos na densidade, concentração e calor de transição é característica da fase II do segundo tipo. Mas exatamente a mesma imagem é observada na crítica. ponto na curva F. p. do primeiro tipo . A semelhança é muito profunda. Perto do crítico ponto, o estado da matéria pode ser caracterizado por uma quantidade que desempenha o papel de um parâmetro de ordem. Por exemplo, no caso de uma situação crítica pontos na curva de equilíbrio líquido-vapor são o desvio de densidade do valor médio. Ao mover-se ao longo da crítica isócoro do lado de altas temperaturas, o gás é homogêneo, e este valor é igual a zero. Abaixo de temperatura critica a substância se separa em duas fases, em cada uma das quais o desvio da densidade da crítica não é igual a zero. Como as fases diferem pouco umas das outras perto do ponto das fases da fase II, é possível formar grandes núcleos de uma fase na outra. (flutuações), da mesma forma que quase crítica. pontos. Muitas críticas estão associadas a isso. fenômenos durante F. p. do segundo tipo: um aumento infinito na suscetibilidade magnética dos ferromagnetos e a constante dielétrica dos ferroelétricos (um análogo é o aumento da compressibilidade perto do ponto crítico do líquido-vapor), um aumento infinito na capacidade de calor , espalhamento anômalo de ondas eletromagnéticas [de luz em líquido e vapor , Raio X em sólidos], nêutrons em ferromagnetos. Os fenômenos dinâmicos também mudam significativamente, o que está associado a uma absorção muito lenta das flutuações resultantes. Por exemplo, perto do ponto crítico ponto líquido-vapor estreita a linha Rayleigh dispersão de luz, aproximar Pontos Curie ferromagnetos e Pontos Neel antiferromagnetos, a difusão do spin diminui etc. Cf. tamanho da flutuação (raio de correlação) R aumenta à medida que nos aproximamos do ponto do segundo tipo F.p. e torna-se infinitamente grande neste ponto.

Os avanços modernos na teoria dos fenômenos funcionais do segundo tipo e fenômenos críticos são baseados na hipótese de similaridade. Supõe-se que se aceitarmos R por unidade de comprimento, e cf. o valor do parâmetro de ordem da célula com a borda R- por unidade de medida do parâmetro de ordem, então todo o padrão de flutuações não dependerá da proximidade do ponto de transição, nem da substância específica. Todos termodinâmicos. quantidades são funções de potência R. Os expoentes são chamados de dimensões críticas (índices). Eles não dependem de uma substância específica e são determinados apenas pela natureza do parâmetro do pedido. Por exemplo, as dimensões no ponto de Curie de um material isotrópico, cujo parâmetro de ordem é o vetor de magnetização, diferem das dimensões no ponto crítico. ponto líquido - vapor ou no ponto Curie de um ímã uniaxial, onde o parâmetro de ordem é um valor escalar.

Perto do ponto de transição equação de estado tem uma forma característica de direito estados correspondentes. Por exemplo, perto do ponto crítico relação de ponto líquido-vapor (p - p k) / (p f - p g) depende apenas de (p - p c) / (p f - p g) * KT(aqui p é a densidade, p k é a densidade crítica, p f é a densidade do líquido, p g é a densidade do gás, R- pressão, p para - pressão crítica, KT- isotérmico compressibilidade), além disso, o tipo de dependência com uma escolha adequada de escala é o mesmo para todos os líquidos .

Houve um grande progresso na teoria cálculo crítico. dimensões e equações de estado estão em boa concordância com os dados experimentais.

O desenvolvimento posterior da teoria de FPs do segundo tipo está relacionado com a aplicação dos métodos da teoria quântica de campos, em particular o método do grupo de renormalização. Este método permite, em princípio, encontrar índices críticos com qualquer precisão necessária.

A divisão das transições de fase em dois tipos é um tanto arbitrária, pois existem transições de fase do primeiro tipo com pequenos saltos na capacidade calorífica e outras quantidades e pequenos calores de transição com flutuações altamente desenvolvidas. F.p. é um fenômeno coletivo que ocorre em valores estritamente definidos de temperatura e outras quantidades apenas em um sistema que possui, no limite, um número arbitrariamente grande de partículas.

Lit.: Landau L.D., Lifshits E.M., Statistical Physics, 2a ed., M., 1964 (Theoretical Physics, vol. 5); Landau L. D., Akhiezer A. I., Lifshits E. M., Curso de física geral. Mecânica e física molecular, 2ª ed., M., 1969; Bpayt R., Transições de fase, trans. de English, M., 1967;Fisher M., A natureza do estado crítico, trad. de English, M., 1968; Stanley G., Transições de fase e fenômenos críticos, trad. de English, M., 1973; Anisimov M. A., Estudos de fenômenos críticos em líquidos, "Avanços em ciências físicas", 1974, v. 114, c. 2; Patashinsky A. 3., Pokrovsky V. L., Teoria da flutuação das transições de fase, M., 1975; Teoria quântica de campos e física das transições de fase, trans. de English, M., 1975 (News of Fundamental Physics, número 6); Wilson K., Kogut J., Renormalization group and s-expansion, trans. de English, M., 1975 (News of Fundamental Physics, v. 5).

NO. L. Pokrovsky.

De acordo com os materiais da BSE.

Belousova Julia, Koban Anastasia

O artigo descreve as transições de fase da matéria. Equilíbrio de fases. Fusão, cristalização, evaporação, condensação.

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Legendas dos slides:

Trabalho de pesquisa em física: transições de fase da matéria

Plano: Área objeto e objeto de trabalho Relevância do estudo Objetivo e objetivos do estudo Conhecimento das informações iniciais sobre transições de fase Tipos de transição de fase Equilíbrio de fase Processos em transição de fase Conclusão

Área objetiva A física é a ciência do universo, que nos permite considerar e conhecer o processo ao nosso redor em todas as suas sutilezas. “A coisa mais bonita que podemos experimentar é o incompreensível. É a fonte da verdadeira arte e ciência.” Albert Einstein.

Objeto de estudo Para o objeto de estudo nesta área, consideraremos o processo de transição de fase da matéria.

Relevância do tema Este tema é interessante e relevante porque, nos últimos anos, é bem conhecido o uso generalizado de transições de fase em vários campos da ciência e tecnologia. As transições de fase podem ser atribuídas às formas mais práticas de aplicação dos efeitos físicos, devido ao fato de que as transições de fase são: Frequentemente usadas em patentes e soluções práticas.

Objetivo do trabalho: Conhecer as ideias básicas da ciência moderna sobre vários tipos de equilíbrio de fases e sobre as características físicas dos processos de transição da matéria de uma fase para outra.

Tarefas: Consideração do conceito de transição de fase Identificação dos tipos de transição de fase e principais características Consideração do equilíbrio de fase Estabelecimento de vários processos de transição de fase

O conceito de transição de fase Transição de fase, transformação de fase, em sentido amplo - a transição de uma substância de uma fase para outra quando as condições externas mudam - temperatura, pressão, campos magnéticos e elétricos, etc. Em sentido estrito, é uma mudança abrupta nas propriedades físicas com uma mudança contínua nos parâmetros externos.

Tipos de transições de fase As transições de fase são divididas em tipos I e II.As mudanças no estado de agregação de uma substância são chamadas de transições de fase de primeira ordem se: 1) A temperatura for constante durante toda a transição. 2) O volume do sistema está mudando. 3) A entropia do sistema muda. Transições de fase do segundo tipo - transições de fase nas quais as primeiras derivadas dos potenciais termodinâmicos em relação à pressão e à temperatura mudam continuamente, enquanto suas segundas derivadas experimentam um salto. Disso se segue, em particular, que a energia e o volume de uma substância não mudam durante uma transição de fase de segunda ordem, mas sua capacidade calorífica, compressibilidade, várias suscetibilidades, etc., mudam.

Diagrama de transição de fase representando os limites de primeira e segunda ordem das fases líquida e gasosa

Equilíbrio de fases A condição de equilíbrio de fases pode ser obtida a partir dos teoremas da termodinâmica. Quando um sistema está em equilíbrio, as temperaturas e pressões de todas as suas fases são as mesmas. Se eles forem mantidos constantes, então o potencial termodinâmico do sistema só pode diminuir. No equilíbrio, assume um valor mínimo. Seja m 1 a massa da primeira e m 2 a massa da segunda fase.  1 e  2 potenciais termodinâmicos específicos da matéria nestas fases. O potencial termodinâmico de todo o sistema é representado como Ф \u003d m 1  1 + m 2  2. Se  1   2, então qualquer transformação da fase 1 em fase 2 é acompanhada por uma diminuição em Ф. Essa transformação será ocorrer até que toda a fase 1 passe para uma fase 2 mais estável. Então o sistema se tornará monofásico e seu potencial termodinâmico atingirá o valor mínimo m  2 . Ao contrário, se  1   2, então a fase 2 acabará se transformando na fase 1. Somente sob a condição  1 (P, T) =  2 (P, T) (1) As fases estarão em equilíbrio com uns aos outros. Assim, a condição para o equilíbrio de fases é a igualdade de seus potenciais termodinâmicos específicos.

Diagrama do equilíbrio de fases do dióxido de carbono:

O significado da condição (1) é que para qualquer transformação de fase, o valor do potencial termodinâmico específico permanece inalterado. Assim, com todas as mudanças no estado da matéria, seu potencial termodinâmico específico sempre muda continuamente

Processos em transições de fase Considere: Evaporação e condensação Fusão e cristalização Ebulição e superaquecimento de um líquido

Evaporação e condensação A transição de um líquido para um estado gasoso é chamada de evaporação, a transição para um estado gasoso de um sólido é chamada de sublimação. O calor que deve ser transmitido a uma unidade de massa de uma substância para transformá-la em vapor na mesma temperatura que a substância tinha antes da evaporação é chamado de calor específico de evaporação. Durante a condensação, o calor gasto durante a evaporação é devolvido: o líquido formado durante a condensação aquece. Diz-se que um vapor que está em equilíbrio com seu líquido está saturado. A pressão na qual o equilíbrio é observado é chamada de pressão de vapor de saturação.

Evaporação de alguns líquidos Evaporação de alguns tipos de líquidos no diagrama

Fusão e cristalização A transição de um corpo cristalino para o estado líquido ocorre a uma certa temperatura para cada substância e requer o dispêndio de uma certa quantidade de calor, chamada de calor de fusão. O ponto de fusão depende da pressão. Assim, a transição do estado cristalino para o estado líquido ocorre em condições bem definidas, caracterizadas por pressões e temperaturas. O conjunto desses valores corresponde à curva no diagrama (p, T), que é comumente chamada de curva de fusão

O processo de fusão reversa de cristalização procede como se segue. Quando o líquido é resfriado a uma temperatura na qual as fases sólida e líquida podem estar em equilíbrio a uma determinada pressão (ou seja, à mesma temperatura na qual ocorreu a fusão), os cristais começam a crescer simultaneamente em torno dos chamados núcleos ou centros de cristalização. . Crescendo cada vez mais, cristais individuais eventualmente se fundem, formando um sólido policristalino. O processo de cristalização é acompanhado pela liberação da mesma quantidade de calor que é absorvida durante a fusão.

Derretendo

Diagrama: Fusão - Cristalização

Ebulição e superaquecimento de um líquido Se o líquido no recipiente é aquecido à pressão externa constante da superfície livre do líquido. Este processo de vaporização é chamado de evaporação. Ao atingir uma certa temperatura, chamada de ponto de ebulição, a formação de vapor começa a ocorrer não apenas a partir da superfície livre, mas bolhas de vapor crescem e sobem para a superfície, arrastando o próprio líquido com elas. O processo de vaporização torna-se turbulento. Esse fenômeno é chamado de ebulição. A água superaquecida pode ser obtida, por exemplo, em um frasco de quartzo com paredes lisas. Enxaguar bem o frasco primeiro com ácido sulfúrico, nítrico ou outro ácido e depois com água destilada. A água destilada é despejada no frasco lavado, do qual o ar dissolvido nele é removido por fervura prolongada. Depois disso, a água no frasco pode ser aquecida em um queimador de gás a uma temperatura muito superior ao ponto de ebulição e, no entanto, não ferverá, mas apenas evaporará intensamente da superfície livre. Apenas ocasionalmente uma bolha de vapor se forma no fundo do frasco, que cresce rapidamente, separa-se do fundo e sobe à superfície do líquido, e suas dimensões aumentam muito quando levantadas. Então a água permanece calma por um longo tempo. Se um germe de forma gasosa for introduzido em tal água, por exemplo, uma pitada de chá for jogada, ela ferverá violentamente e sua temperatura cairá rapidamente até o ponto de ebulição. Essa experiência efetiva tem o caráter de uma explosão.

Temperatura da água em ebulição na ebulição nucleada

Conclusão Este trabalho permitiu conhecer melhor os processos que ocorrem quando um estado da matéria passa para outro, quais as características de cada uma das fases e estados. Vendo os processos ao nosso redor, podemos facilmente dizer como isso acontece, conhecendo apenas a teoria básica. Portanto, a física nos ajuda a aprender a maioria das leis da ciência natural que nos ajudarão no futuro.

2. Transições de fase do primeiro e segundo tipo………………………..4

3. Gás ideal…………………………………………………………….7

4. Gás real………………………………………………………….8

5. Teoria molecular-cinética de fenômenos críticos….….9

6. Superfluidez…………………………………………………………..11

7. Supercondutividade…………………………………………………..13

7.1 Descoberta da supercondutividade………………….……13

7.2 Interação elétron - fônon……………..14

7.3 Supercondutores de primeiro e segundo tipo…………16

7.4 Receita para fazer um supercondutor…………….17

7.5 Precauções de segurança…………………………………….18

7.6 O Efeito Meisner…………………………………………………………………………20

8. Conclusão………………………….……………………….22

9. Referências…………………………………………….25

1. Introdução.

As fases são chamadas de partes homogêneas diferentes de sistemas físico-químicos. Uma substância é homogênea quando todos os parâmetros do estado da substância são os mesmos em todos os seus volumes, cujas dimensões são grandes em comparação com os estados interatômicos. Misturas de gases diferentes sempre formam uma fase se estiverem na mesma concentração em todo o volume.

A mesma substância, dependendo das condições externas, pode estar em um dos três estados de agregação - líquido, sólido ou gasoso. Dependendo das condições externas, pode ser em uma fase ou em várias fases ao mesmo tempo. Na natureza ao nosso redor, observamos especialmente com frequência as transições de fase da água. Por exemplo: evaporação, condensação. Existem condições de pressão e temperatura sob as quais a substância está em equilíbrio em diferentes fases. Por exemplo, ao liquefazer um gás em um estado de equilíbrio de fases, o volume pode ser qualquer coisa, e a temperatura de transição está relacionada à pressão de vapor de saturação. As temperaturas nas quais ocorrem as transições de uma fase para outra são chamadas de temperaturas de transição. Eles dependem da pressão, embora em graus variados: o ponto de fusão é mais fraco, a temperatura de vaporização e sublimação é mais forte. À pressão normal e constante, a transição ocorre a uma certa temperatura, e aqui ocorrem a fusão, a ebulição e a sublimação (ou sublimação). A sublimação é a transição de uma substância do estado sólido para o gasoso, que pode ser observada, por exemplo, nas conchas das caudas dos cometas. Quando um cometa está longe do Sol, quase toda a sua massa está concentrada em seu núcleo, que mede de 10 a 12 quilômetros. O núcleo, cercado por uma pequena concha de gás, é a chamada cabeça de um cometa. Ao se aproximar do Sol, o núcleo e as conchas do cometa começam a aquecer, a probabilidade de sublimação aumenta e a dessublimação diminui. Os gases que escapam do núcleo do cometa arrastam partículas sólidas, a cabeça do cometa aumenta de volume e torna-se gás e poeira na composição.

2. Transições de fase de primeiro e segundo tipo.

As transições de fase são de vários tipos. Mudanças nos estados agregados de uma substância são chamadas de transições de fase de primeira ordem se:

1) A temperatura é constante durante toda a transição.

2) O volume do sistema está mudando.

3) A entropia do sistema muda.

Para que tal transição de fase ocorra, é necessário que uma dada massa de substância embainha uma certa quantidade de calor correspondente ao calor latente de transformação. De fato, durante a transição da fase condensada para uma fase de menor densidade, uma certa quantidade de energia deve ser transmitida na forma de calor, que irá destruir a rede cristalina (durante a fusão) ou remover moléculas líquidas de cada outro (durante a vaporização). Durante a transformação, o calor latente irá para a transformação de forças coesivas, a intensidade do movimento térmico não mudará, como resultado, a temperatura permanecerá constante. Com tal transição, o grau de desordem e, portanto, a entropia, aumenta. Se o processo for na direção oposta, então o calor latente é liberado. As transições de fase do primeiro tipo incluem: a transformação de um sólido em líquido (fusão) e o processo reverso (cristalização), líquido - em vapor (evaporação, ebulição). Uma modificação cristalina - para outra (transformações polimórficas). As transições de fase do segundo tipo incluem: a transição de um condutor normal para um estado supercondutor, hélio-1 para hélio-2 superfluido, um ferromagneto para um paramagneto. Metais como ferro, cobalto, níquel e gadolínio destacam-se pela capacidade de serem altamente magnetizados e de manterem um estado de magnetização por muito tempo. Eles são chamados de ferromagnetos. A maioria dos metais (metais alcalinos e alcalino-terrosos e uma parte significativa dos metais de transição) são fracamente magnetizados e não retêm este estado fora de um campo magnético - estes são paramagnetos. As transições de fase do segundo, terceiro e assim por diante estão associadas à ordem das derivadas do potencial termodinâmico ∂f que experimentam medições finitas no ponto de transição. Tal classificação das transformações de fase está associada ao trabalho do físico teórico Paulo Ernest (1880-1933). Assim, no caso de uma transição de fase de segunda ordem, as derivadas de segunda ordem experimentam saltos no ponto de transição: capacidade de calor a pressão constante Cp \u003d -T (∂f 2 / ∂T 2), compressibilidade β \u003d - (1 / V 0) (∂ 2 f / ∂p 2), coeficiente de expansão térmica α=(1/V 0)(∂ 2 f/∂Tp), enquanto as primeiras derivadas permanecem contínuas. Isso significa que não há liberação (absorção) de calor e nenhuma mudança no volume específico (φ - potencial termodinâmico).

O estado de equilíbrio de fase é caracterizado por uma certa relação entre a temperatura de transformação de fase e a pressão. Numericamente, esta dependência para transições de fase é dada pela equação de Clausius-Clapeyron: Dp/DT=q/TDV. A pesquisa em baixas temperaturas é um ramo muito importante da física. O fato é que desta forma é possível se livrar das interferências associadas ao movimento térmico caótico e estudar os fenômenos de forma “pura”. Isso é especialmente importante no estudo de regularidades quânticas. Normalmente, devido ao movimento térmico caótico, a média de uma quantidade física é calculada em um grande número de seus diferentes valores, e os saltos quânticos são “manchados”.

Baixas temperaturas (temperaturas criogênicas), em física e tecnologia criogênica, a faixa de temperatura é inferior a 120°K (0°C=273°K); o trabalho de Carnot (ele trabalhou em uma máquina térmica) e Clausius lançaram as bases para a pesquisa sobre as propriedades de gases e vapores, ou termodinâmica técnica. Em 1850, Clausius notou que o vapor d'água saturado condensa parcialmente durante a expansão e fica superaquecido durante a compressão. Renu deu uma contribuição especial para o desenvolvimento desta disciplina científica. O volume intrínseco das moléculas de gás à temperatura ambiente é aproximadamente um milésimo do volume ocupado pelo gás. Além disso, as moléculas são atraídas umas pelas outras a distâncias maiores do que aquelas a partir das quais sua repulsão começa.

Igual aos valores específicos da entropia, tomados com o sinal oposto, e volume: (4.30) Se em pontos que satisfazem o equilíbrio de fases: , as primeiras derivadas do potencial químico para diferentes fases experimentam uma descontinuidade: , (4.31 ) eles dizem que o sistema termodinâmico está passando por uma transição de fase do 1º tipo. As transições de fase do primeiro tipo são caracterizadas pela presença de calor latente da transição de fase, ...

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O sistema consiste em obter o seu “retrato de fase” (Volkenshtein, 1978). Permite revelar os estados estacionários do sistema e a natureza de sua dinâmica ao se desviar deles. O método de retratos de fase é usado em engenharia para analisar e prever o comportamento de sistemas físicos de complexidade variável e em ecologia matemática para analisar a dinâmica populacional (Volkenshtein, 1978; Svirezhev...

conceito fase em termodinâmica são considerados em um sentido mais amplo do que estados agregados. Segundo, sob fase em termodinâmica, eles entendem o estado de equilíbrio termodinamicamente de uma substância, que difere em propriedades físicas de outros possíveis estados de equilíbrio da mesma substância. Às vezes, um estado metaestável de não equilíbrio de uma substância também é chamado de fase, mas metaestável. As fases de uma substância podem diferir na natureza do movimento das partículas estruturais e na presença ou ausência de uma estrutura ordenada. Diferentes fases cristalinas podem diferir umas das outras no tipo de estrutura cristalina, condutividade elétrica, propriedades elétricas e magnéticas, etc. As fases líquidas diferem umas das outras na concentração de componentes, na presença ou ausência de supercondutividade, etc.

A transição de uma substância de uma fase para outra é chamada de transição de fase . As transições de fase incluem os fenômenos de vaporização e fusão, condensação e cristalização, etc. Em um sistema bifásico, as fases estão em equilíbrio na mesma temperatura. Com o aumento do volume, parte do líquido se transforma em vapor, mas, ao mesmo tempo, para manter a temperatura inalterada, é necessário transferir uma certa quantidade de calor do exterior. Assim, para realizar a transição da fase líquida para o sistema gasoso, é necessário transferir calor sem alterar a temperatura do sistema. Este calor é usado para mudar o estado de fase da matéria e é chamado de calor de transformação de fase ou calor latente de transição . Com o aumento da temperatura, o calor latente de transição de uma massa fixa de matéria diminui e, na temperatura crítica, é igual a zero. Para caracterizar a transição de fase, o calor específico da transição de fase é usado. Calor específico de transição de fase é a quantidade de calor latente por unidade de massa de uma substância.

As transições de fase com absorção ou liberação de calor latente de transição são chamadas de transições de fase de primeira ordem . Neste caso, a energia interna e a densidade mudam abruptamente. Ao passar de um estado mais ordenado para um estado menos ordenado, a entropia aumenta. A tabela lista as transições de fase de primeira ordem e suas principais características.

Tabela. Transições de fase do primeiro rad e suas principais características .

transição de fase	Direção de transição	Calor latente de transição	Mudança na entropia durante uma transição de fase
vaporização	líquido  vapor	eu Pé o calor específico de vaporização, t- massa de líquido convertida em vapor.	A entropia aumenta
Condensação	Vapor  líquido	, Onde eu KOHé o valor do calor específico de condensação, t- massa de vapor convertida em líquido	Entropia diminui ΔS cr< 0
Derretendo	Sólido  líquido	, Onde eu PLé o calor específico de fusão, t- massa de um corpo sólido convertida em líquido	A entropia aumenta ΔS pl > 0
Cristalização	líquido  sólido	, Onde eu KR t- a massa de um líquido convertida em um corpo sólido - um cristal	Entropia diminui ΔS cr< 0
Sublimação (ou sublimação)	Sólido  Vapor	, Onde eu Comé o calor específico de sublimação, t- massa de corpo sólido convertida em vapor	A entropia aumenta
dessublimação (Cristalização ignorando a fase líquida)	Vapor  Sólido (ignorando a fase líquida)	, Onde eu KRé o valor do calor específico de cristalização, t- massa de vapor transferida para um corpo sólido - um cristal	Entropia diminui ΔS cr< 0

Com existe uma relação entre a pressão na qual o sistema bifásico está em equilíbrio e a temperatura durante as transições de fase de primeira ordem. Essa relação é descrita . Considere a derivação desta equação para sistemas fechados. Se o número de partículas no sistema é constante, então a mudança na energia interna, de acordo com a primeira lei da termodinâmica, é determinada pela expressão: . O equilíbrio entre as fases virá sob a condição de que T 1 \u003d T 2 e P 1 \u003d P 2. Considere um ciclo de Carnot reversível infinitamente pequeno (Fig. 6.8), cujas isotermas correspondem ao estado de um sistema bifásico nas temperaturas T e dT. Como os parâmetros de estado neste caso mudam infinitamente pouco, as isotermas e adiabats na Fig. 6.8 são mostradas como linhas retas. A pressão em tal ciclo muda em dP. O trabalho do sistema por ciclo é determinado pela fórmula:
. Suponhamos que o ciclo seja implementado para um sistema cuja massa de matéria é igual a um. A eficiência de um ciclo de Carnot tão elementar pode ser determinada pelas fórmulas:
ou
, Onde eu Pé o calor específico de vaporização. Igualando as partes certas dessas igualdades e substituindo a expressão do trabalho por pressão e volume, obtemos:
. Correlacionamos a mudança na pressão com a mudança na temperatura e obtemos:

(6.23)

A equação (6.23) é chamada Equação de Clausius-Clapeyron . Analisando esta equação, podemos concluir que com o aumento da temperatura, a pressão aumenta. Isso decorre do fato de que
, que significa
.

A equação de Clausius-Clapeyron é aplicável não apenas à transição líquido-vapor. Aplica-se a todas as transições do primeiro tipo. Em geral, pode ser escrito assim:

(6.24)

Usando a equação de Clapeyron-Clausius, pode-se representar o diagrama de estados do sistema nas coordenadas P,T (Fig. 6.9). Neste diagrama, a curva 1 é a curva de sublimação. Corresponde ao estado de equilíbrio de duas fases: sólido e vapor. Os pontos à esquerda desta curva caracterizam o estado sólido monofásico. Os pontos à direita caracterizam o estado de vapor. A curva 2 é a curva de fusão. Corresponde ao estado de equilíbrio de duas fases: sólida e líquida. Os pontos à esquerda desta curva caracterizam o estado sólido monofásico. Os pontos à direita até a curva 3 caracterizam o estado líquido. A curva 3 é a curva de vaporização. Corresponde ao estado de equilíbrio de duas fases: líquido e vapor. Os pontos situados à esquerda desta curva caracterizam o estado líquido monofásico. Os pontos à direita caracterizam o estado de vapor. A curva 3, em contraste com as curvas 1 e 2, é limitada em ambos os lados. Por um lado - um ponto triplo Tr, por outro lado - o ponto crítico K (Fig. 6.9). ponto Triplo descreve o estado de equilíbrio de três fases ao mesmo tempo: sólido, líquido e vapor.