Am luat în considerare tranzițiile de la starea lichidă și gazoasă la starea solidă, adică cristalizarea și tranzițiile inverse - topire și sublimare. Mai devreme în cap. VII ne-am familiarizat cu trecerea lichidului la vapori - evaporare și tranziția inversă - condensare. În timpul tuturor acestor tranziții de fază (transformări), corpul fie eliberează, fie absoarbe energie sub formă de căldură latentă a tranziției corespunzătoare (căldura de topire, căldură de evaporare etc.).

Tranzițiile de fază însoțite de un salt în energie sau alte cantități asociate cu energie, cum ar fi densitatea, sunt numite tranziții de fază de ordinul întâi.

Pentru tranzițiile de fază de primul fel, un salt, adică, care au loc într-un interval de temperatură foarte îngust, modificarea proprietăților substanțelor este caracteristică. Se poate vorbi deci de o temperatură de tranziție sau punct de tranziție definit: punctul de fierbere, punctul de topire și

Temperaturile tranzițiilor de fază depind de un parametru extern - presiunea la o temperatură dată, echilibrul fazelor între care se produce tranziția se stabilește la o presiune bine definită. Linia de echilibru de fază este descrisă de ecuația Clausius-Clapeyron cunoscută nouă:

unde este căldura molară de tranziție și sunt volumele molare ale ambelor faze.

În timpul tranzițiilor de fază de ordinul întâi, o nouă fază nu apare imediat în întregul volum. Mai întâi, se formează nucleele unei noi faze, care apoi cresc, răspândindu-se pe întregul volum.

Ne-am întâlnit cu procesul de formare a nucleelor ​​când am luat în considerare procesul de condensare a lichidului. Condensarea necesită existenţa centrelor de condensare (nuclee) sub formă de granule de praf, ioni etc. La fel, centrele de cristalizare sunt necesare pentru solidificarea unui lichid. În absența unor astfel de centri, vaporii sau lichidul pot fi într-o stare suprarăcită. Este posibil, de exemplu, să observați apă pură mult timp la o temperatură

Există, totuși, tranziții de fază în care transformarea are loc imediat în întregul volum ca urmare a unei schimbări continue a rețelei cristaline, adică aranjarea reciprocă a particulelor în rețea. Acest lucru poate duce la faptul că, la o anumită temperatură, simetria rețelei se modifică, de exemplu, o rețea cu o simetrie scăzută trece la o rețea cu o simetrie mai mare. Această temperatură va fi punctul de tranziție de fază, care în acest caz se numește tranziție de fază de ordinul doi. Temperatura la care are loc o tranziție de fază de ordinul doi se numește punctul Curie, după Pierre Curie, care a descoperit tranziția de fază de ordinul doi în feromagneți.

Cu o astfel de schimbare continuă de stare la punctul de tranziție, nu va exista un echilibru a două faze diferite, deoarece tranziția a avut loc imediat în întregul volum. Prin urmare, nu există un salt în energia internă II în punctul de tranziție. În consecință, o astfel de tranziție nu este însoțită de eliberarea sau absorbția căldurii latente a tranziției. Dar, deoarece la temperaturi peste și sub punctul de tranziție, substanța se află în diferite modificări cristaline, acestea au capacități termice diferite. Aceasta înseamnă că în punctul de tranziție de fază, capacitatea termică se modifică brusc, adică derivata energiei interne în raport cu temperatură.

Coeficientul de dilatare volumetrică se modifică și el brusc, deși volumul în sine în punctul de tranziție nu se modifică.

Se cunosc tranziții de fază de al doilea fel, în care o schimbare continuă a stării nu înseamnă o modificare a structurii cristaline, ci în care starea se schimbă și concomitent în întregul volum. Cele mai cunoscute tranziții de acest tip sunt trecerea unei substanțe de la o stare feromagnetică la o stare neferomagnetică, care are loc la o temperatură numită punct Curie; trecerea unor metale de la starea normală la cea supraconductoare, în care rezistența electrică dispare. În ambele cazuri, nu are loc nicio modificare a structurii cristalului la punctul de tranziție, dar în ambele cazuri starea se schimbă continuu și simultan pe întreg volumul. O tranziție de al doilea fel este și tranziția heliului lichid de la starea He I la starea He II. În toate aceste cazuri, se observă o creștere a capacității termice la punctul de tranziție. (În legătură cu aceasta, temperatura tranziției de fază de ordinul doi are un al doilea nume: se numește punctul -, în funcție de natura curbei de modificare a capacității termice în acest punct; acest lucru a fost deja menționat în § 118 , în textul despre heliu lichid.)

Să analizăm acum puțin mai detaliat cum apar tranzițiile de fază. Rolul principal în transformările de fază îl joacă fluctuațiile mărimilor fizice. Ne-am întâlnit deja cu ei când am discutat despre cauza mișcării browniene a particulelor solide suspendate într-un lichid (§ .7).

Fluctuațiile - modificări aleatorii ale energiei, densității și altor cantități asociate cu acestea - există întotdeauna. Dar departe de punctul de tranziție de fază, ele apar în volume foarte mici și se dizolvă imediat din nou. Când temperatura și presiunea din substanță sunt aproape de critică, atunci în volumul acoperit de fluctuație, devine posibilă apariția unei noi faze. Întreaga diferență dintre tranzițiile de fază de ordinul întâi și al doilea constă în faptul că fluctuațiile în apropierea punctului de tranziție se dezvoltă diferit.

S-a spus deja mai sus că într-o tranziție de ordinul întâi apare o nouă fază sub formă de nuclee în interiorul fazei vechi. Motivul apariției lor este fluctuațiile aleatorii ale energiei și densității. Pe măsură ce punctul de tranziție se apropie, fluctuațiile care conduc la o nouă fază apar din ce în ce mai des și, deși fiecare fluctuație acoperă un volum foarte mic, împreună pot duce la apariția unui nucleu macroscopic al unei noi faze dacă există un centru de condensare. la locul formării lor.

În cazul unei tranziții de al doilea fel, situația este mult mai complicată. Deoarece noua fază apare dintr-o dată în întregul volum, fluctuațiile microscopice obișnuite nu pot duce în sine la o tranziție de fază. Caracterul lor se schimbă semnificativ. Pe măsură ce temperatura critică se apropie, fluctuațiile care „pregătesc” trecerea la o nouă fază acoperă o parte din ce în ce mai mare a substanței și, în final, în punctul de tranziție devin infinite,

adică ele apar pe tot parcursul. Sub punctul de tranziție, atunci când o nouă fază a fost deja stabilită, ele încep să se degradeze din nou și treptat devin din nou de scurtă durată și de scurtă durată.

O tranziție de fază de ordinul doi este întotdeauna asociată cu o schimbare a simetriei sistemului; într-o fază nouă, fie apare o ordine care nu a fost în cea originală (de exemplu, momentele magnetice ale particulelor individuale sunt ordonate la trecerea la o stare feromagnetică), sau o ordine deja existentă se modifică (în timpul tranzițiilor cu o modificare a structurii cristaline).

Această nouă ordine este cuprinsă și în fluctuațiile din apropierea punctului de tranziție de fază.

O explicație clară a mecanismului de tranziție descris este binecunoscutul „efect de mulțime fixă” (Fig. 185). Să ne imaginăm trecătorii mergând de-a lungul trotuarului și privind în direcțiile cele mai aleatorii. Aceasta este starea „normală” a mulțimii străzii, în care nu există ordine. Lăsați-l acum pe unul dintre trecători fără niciun motiv aparent să se uite la o fereastră goală de la etajul doi ("fluctuație aleatorie"). Treptat, din ce în ce mai mulți oameni încep să privească pe aceeași fereastră și, în final, toți ochii sunt îndreptați către un singur punct. A apărut o fază „ordonată”, deși nu există forțe externe care să contribuie la stabilirea ordinii - absolut nimic nu se întâmplă în afara ferestrei de la etajul doi

Tranzițiile de fază de al doilea fel sunt un fenomen foarte complex și interesant. Procesele care au loc în imediata vecinătate a punctului de tranziție nu au fost încă pe deplin investigate și încă se creează o imagine completă a comportamentului mărimilor fizice în condiții de fluctuații infinite.

treceri in-va de la o faza la alta cu modificarea parametrilor de stare care caracterizeaza termodinamica. echilibru. Valoarea t-ry, presiunea sau k.-l. altele fizice mărimile la care F. p. apar într-un sistem monocomponent, numite. punct de tranziție. Cu F. p. I fel de proprietăți, exprimate prin derivatele prime ale energiei Gibbs G în raport cu presiunea R, t-re T și alți parametri se modifică brusc cu o schimbare continuă a acestor parametri. În acest caz, căldura de tranziție este eliberată sau absorbită. Într-un sistem monocomponent, temperatura de tranziție 1 raportat la presiunea p 1 Ecuația Clausius-Clapeyron dp 1 /dT 1 ==QIT 1 D V, unde Q este căldura de tranziție, DV este saltul de volum. O fază I se caracterizează prin fenomene de histerezis (de exemplu, supraîncălzirea sau suprarăcirea uneia dintre faze) necesare pentru formarea nucleelor ​​celeilalte faze și pentru ca faza de fază să se desfășoare la o viteză finită. În absența nucleelor ​​stabili, faza supraîncălzită (suprarăcită) se află într-o stare de echilibru metastabil (vezi Fig. nasterea unei noi faze). Aceeași fază poate exista (deși metastabil) pe ambele părți ale punctului de tranziție din diagrama stărilor (cu toate acestea, fazele cristaline nu pot fi supraîncălzite peste temperatura de topire sau sublimare). La punctul F. p. Un fel de energie Gibbs G în funcție de parametrii de stare este continuă (vezi Fig. în art. diagrama de stare),și ambele faze pot coexista pentru un timp arbitrar lung, adică există un așa-numit. separarea fazelor (de exemplu, coexistența unui lichid și vaporii acestuia sau a unui solid și a unei topituri pentru un volum total dat al sistemului).

F. p. I fel - fenomene larg răspândite în natură. Acestea includ evaporarea și condensarea din faza gazoasă în faza lichidă, topirea și solidificarea, sublimarea și condensarea (desublimarea) din faza gazoasă în faza solidă, majoritatea transformărilor polimorfe, unele tranziții structurale în solide, de exemplu, formarea martensitei într-un aliaj fier-carbon... În supraconductorii puri, un magnet suficient de puternic. câmpul induce o tranziție de fază de primul fel de la starea supraconductoare la starea normală.

Sub F. p. de al doilea fel, cantitatea G însăși și primele derivate ale lui G în raport cu T, p iar alți parametri de stare se modifică continuu, iar derivatele secunde (respectiv, capacitatea termică, coeficientul de compresibilitate și dilatarea termică) cu o modificare continuă a parametrilor se modifică brusc sau sunt singulare. Căldura nu este nici eliberată, nici absorbită, fenomenele de histerezis și stările metastabile sunt absente. Către F.p. Tipul II, observat cu o schimbare a temperaturii, includ, de exemplu, tranzițiile de la o stare paramagnetică (dezordonată) la o stare ordonată magnetic (ferro- și ferimagnetic în punct curie, antiferomagnetic la punctul Neel) cu aparitia magnetizarii spontane (respectiv, in intreaga retea sau in fiecare dintre subretele magnetice); dielectric de tranziție - feroelectric cu aspect de polarizare spontană; apariția unei stări ordonate în solide (în ordonarea aliajelor); tranziție smectică. cristale lichideîn nematic fază, însoțită de o creștere anormală a capacității termice, precum și de tranziții între decomp. smectic faze; l-tranziție în 4 He, însoțită de apariția unei conductivitati termice și superfluiditate anormal de ridicate (vezi Fig. Heliu); trecerea metalelor la starea supraconductoare în absenţa magneticului. câmpuri.

F. p. poate fi asociat cu o modificare a presiunii. Multe substanțe la presiuni scăzute cristalizează în structuri slab împachetate. De exemplu, structura grafitului este o serie de straturi larg distanțate de atomi de carbon. La presiuni suficient de mari, valorile mari ale energiei Gibbs corespund unor astfel de structuri libere, iar fazele de echilibru apropiate corespund unor valori mai mici. Prin urmare, la presiuni mari, grafitul se transformă în diamant. Lichidele cuantice 4 He și 3 He rămân lichide la presiune normală până la cel mai mic t-p atins lângă abs. zero. Motivul pentru aceasta este interacțiunea slabă. atomi și amplitudinea mare a „vibrațiilor zero” lor (probabilitate mare de tunel cuantic de la o poziție fixă ​​la alta). Cu toate acestea, o creștere a presiunii face ca heliul lichid să se solidifice; de exemplu, 4 He la 2,5 MPa formează hexagen, o rețea compactă.

Interpretarea generală a lui F. p. de al doilea fel a fost propusă de L. D. Landau în 1937. Deasupra punctului de tranziție, sistemul are, de regulă, o simetrie mai mare decât sub punctul de tranziție, deci F. p. Genul este tratat ca un punct de modificare a simetriei. De exemplu, într-un feromagnet deasupra punctului Curie, direcția magneților de spin. momentele particulelor sunt distribuite aleatoriu, astfel încât rotația simultană a tuturor spinurilor în jurul aceleiași axe cu același unghi nu modifică fizicul. Sf. în sistem. Sub punctele de tranziție ale spatelui au avantaje. orientarea, iar rotirea articulației lor în sensul de mai sus schimbă direcția magneticului. momentul sistemului. Într-un aliaj cu două componente, atomii cărora A și B sunt localizați în locurile unui cubic simplu. cristalin zăbrele, starea dezordonată este caracterizată de haotică. distribuția lui A și B peste nodurile rețelei, astfel încât deplasarea rețelei cu o perioadă nu modifică r.v. Sub punctul de tranziție, atomii de aliaj sunt ordonați: ...ABAB... O deplasare a unei astfel de rețele cu o perioadă duce la înlocuirea tuturor atomilor A cu B și invers. T. arr., simetria rețelei scade, deoarece subrețelele formate din atomii A și B devin neechivalente.

Simetria apare și dispare brusc; în acest caz, încălcarea simetriei poate fi caracterizată prin fizică. valoare, la-paradis cu F. p. II fel se schimbă continuu și se numește. parametrul de comandă. Pentru lichide pure, acest parametru este densitatea, pentru p-ditch - compoziție, pentru fero- și ferimagneți - magnetizare spontană, pentru feroelectrice - electrice spontane. polarizare, pentru aliaje - proporția de atomi ordonați pentru smectic. cristale lichide - amplitudinea undei de densitate etc. În toate aceste cazuri, la t-rah deasupra punctului F. p. de al doilea fel, parametrul de ordine este zero, sub acest punct începe creșterea sa anormală, ducând la max. . valoare la T = O.

Absența căldurii de tranziție, a salturilor de densitate și a concentrațiilor, care este caracteristică tipului F. p. II, este de asemenea observată în critică. punct pe curbele lui F. p. de primul fel (vezi evenimente critice). Asemănarea este foarte profundă. State in-va despre critic. punctele pot fi caracterizate și printr-o cantitate care joacă rolul unui parametru de comandă. De exemplu, în cazul echilibrului lichid - vapori, un astfel de parametru este abaterea densității insulei de la critic. valori: atunci când se deplasează de-a lungul unui critic izocorul din partea gazului cu tr mare este omogen și abaterea densității de la critică. valoarea este zero și sub valoarea critică. t-ry in-in este stratificat în două faze, în fiecare dintre ele abaterea densității de la cea critică nu este egală cu zero.

Întrucât fazele diferă puțin între ele în apropierea punctului F. p. de al doilea fel, este posibilă existența unor fluctuații ale parametrului de ordine, la fel ca în apropierea criticului. puncte. Critica este asociată cu asta. fenomene în punctele de F. p. de al doilea fel: creşterea anormală a magn. susceptibilitatea feromagneților și a dielectricului. susceptibilitatea feroelectricilor (analog este cresterea compresibilitatii in apropierea punctului critic al tranzitiei lichid-vapor); o creștere bruscă a capacității de căldură; împrăștierea anormală a undelor luminoase într-un sistem lichid - vapori (așa-numita opalescență critică), raze X în solide, neutroni în feromagneți. Schimbare semnificativă și dinamică. proceselor, care este asociată cu o resorbție foarte lentă a fluctuațiilor rezultate. De exemplu, aproape de critic lichid punctual - vaporii îngustează linia de împrăștiere a luminii Rayleigh, în apropierea punctelor Curie și, respectiv, Neel. la feromagneți și antiferomagneți, difuzia spinului încetinește (propagarea magnetizării în exces având loc conform legilor difuziei). Mărimea medie a fluctuației (raza de corelație) crește pe măsură ce se apropie de punctul funcției de fază de ordinul doi și devine anormal de mare în acest punct. Aceasta înseamnă că orice parte a insulei din punctul de tranziție „simte” schimbările care au avut loc în alte părți. Dimpotrivă, departe de punctul de tranziție al celui de-al doilea fel, fluctuațiile sunt independente din punct de vedere statistic, iar schimbările aleatorii ale stării într-o anumită parte a sistemului nu afectează proprietățile celorlalte părți ale acestuia.

Împărțirea tranzițiilor de fază în două tipuri este oarecum arbitrară, deoarece există tranziții de fază de primul fel cu mici salturi în parametrul de ordine și călduri scăzute de tranziție cu fluctuații foarte dezvoltate. Aceasta este Naib, tipic pentru tranzițiile dintre cristalele lichide. faze. Cel mai adesea acestea sunt F. p. de primul fel, foarte apropiate de F. p. P din gen. Prin urmare, ele sunt de obicei însoțite de critici. fenomene. Natura multor F. p. în cristale lichide este determinată de interacțiune. mai multe parametrii de comandă asociați cu dec. tipuri de simetrie. În unele org. conn. așa-zisul. retur cristale lichide faze care apar la racirea sub temperatura de existenta a nematicului primar, colesteric. și smectic. faze.

Un punct singular al diagramei de fază la care linia de tranziții de primul fel se transformă într-o linie de tranziții de al doilea fel, numită. tricritic punct. Tricritic punctele se găsesc pe liniile lui F. p. în stare superfluid în p-rax 4 He - 3 He, pe liniile de tranziții de orientare în halogenuri de amoniu, pe liniile de tranziții nematich. cristal lichid – smectic. cristale lichide și în alte sisteme.

Lit.: Braut R., Tranziții de fază, trad. din engleză, M., 1967; Landau L.D., Lifshits E.M., Statistical physics, part 1, 3rd ed., M., 1976; Pikin S. A., Transformări structurale în cristale lichide, M., 1981; Patashinsky A. 3., Pokrovsky V. L., Fluctuation theory of phase transitions, ed. a II-a, M., 1982; Anisimov M. A., Fenomene critice în lichide și cristale lichide, M., 1987. M. A. Anisimov.

• - - o clasă specială de tranziții de fază magnetică, la care orientarea axelor de magnetizare ușoară ale magneților se modifică odată cu schimbarea în exterior. parametrii...

  Enciclopedia fizică

• - în acceleratoare - un set de oscilații interdependente ale fazelor, razelor de orbită și energiilor de sarcină. particule aproape de valorile lor de echilibru. Pentru practica...

  Enciclopedia fizică

• - distorsiunea formei semnalului din cauza încălcării relațiilor de fază în spectrul său de frecvență ...

  Enciclopedia fizică

• Enciclopedia chimică

• - tranziții de salt ale unui sistem cuantic de la o stare posibilă la alta. Tranzițiile cuantice pot fi radiative și non-radiative...

  Enciclopedia modernă

• Științele naturii. Dicţionar enciclopedic

• - - sunt construite pe suporturi la traversarea apei și a altor bariere, la așezarea conductelor pe soluri mlăștinoase, udate, permafrost...

  Enciclopedia Geologică

• - tensiuni apărute în timpul transformărilor de fază ale metalelor și aliajelor în stare solidă din cauza diferențelor de volume specifice fazei formate și inițiale. Vezi și: - Tensiuni - termice...

  Dicţionar Enciclopedic de Metalurgie

• - vezi Mușchi, proprietăți electrice...

  Dicționar enciclopedic al lui Brockhaus și Euphron

• - în teoria cuantică, tranzițiile unui microsistem fizic de la o stare la alta, asociate cu nașterea sau distrugerea particulelor virtuale, adică particule care există doar în cele intermediare, având...
• - tranziții bruște ale unui sistem cuantic de la o stare la alta...

  Marea Enciclopedie Sovietică

• - vezi tranziții cuantice...

  Marea Enciclopedie Sovietică

• - tranzițiile unei substanțe de la o fază la alta, care au loc cu o schimbare a temperaturii, presiunii sau sub influența oricăror alți factori externi...

  Enciclopedia modernă

• - tranziții bruște ale unui sistem cuantic de la o stare posibilă la alta...

  Dicționar enciclopedic mare

• - Verbe care denotă orice fază a acțiunii...

  Dicţionar de termeni lingvistici

• - FAZA, -s, ...

  Dicționar explicativ al lui Ozhegov

„TRANZIȚII DE FAZA” în cărți

Tranziții

Din cartea Discurs fără pregătire. Ce și cum să spui dacă ești luat prin surprindere autorul Sednev Andrey

Tranziții Când vorbești fără pregătire, mai întâi vorbești despre ceea ce ți-a venit mai întâi în minte, apoi treci la a doua idee, apoi la a treia și, dacă este necesar, chiar mai departe. Pentru ca discursul să sune frumos și relaxat, folosiți special

Tranziții

Din cartea Maturitatea. Responsabilitatea de a fi tu însuți autor Rajneesh Bhagwan Shri

Tranziții de la NU la DA Conștiința aduce libertate. Libertatea nu înseamnă doar libertatea de a face ceea ce trebuie; dacă acesta ar fi sensul libertății, ce fel de libertate ar fi? Dacă ești liber doar să faci ceea ce trebuie, atunci nu ești liber deloc. Libertatea înseamnă ambele

Tranziții

Din cartea Numerologie karmică slavă. Îmbunătățiți-vă matricea destinului autor Maslova Natalia Nikolaevna

Tranziții Vă voi spune pe scurt cum o persoană poate organiza o tranziție pentru sine. Pentru mai multe detalii, consultați partea „Ce să faceți?” De exemplu, cifra opt este clan. Adică, pentru a-l transforma în unități, trebuie să ne despărțim de clan. Trebuie să plecăm de acasă. Opreste-te cumva

Experimente de fază

Din cartea Faza. Rupând iluzia realității autorul Rainbow Michael

12. Tranziții

Din cartea Proshow Producer Versiunea 4.5 Manual de Corporation Photodex

12. Tranziții Arta de a trece de la diapozitiv la diapozitiv

2. Tranziții CSS

Din cartea CSS3 pentru web designeri de Siderholm Dan

2. Tranziții CSS Era 1997; Eram într-un apartament sărac din frumoasa Allston, Massachusetts. O noapte tipică de a privi codul sursă și de a învăța HTML, precedată de o zi de împachetare CD-uri la un studio de înregistrare local - practic gratuit

7.2. Tranziții

Din cartea UML Tutorial autor Leonenkov Alexandru

7.2. Tranziții O tranziție ca element al UML a fost discutată în Capitolul 6. Atunci când se construiește o diagramă de activitate, sunt utilizate numai tranziții non-trigger, adică cele care se declanșează imediat după finalizarea activității sau execuția acțiunii corespunzătoare. Acest

Relații de fază într-un amplificator cu emițător comun

Din cartea OrCAD PSpice. Analiza circuitelor electrice de Keown J.

Relații de fază într-un amplificator cu emițător comun Când un rezistor de emițător RE este utilizat într-un amplificator OE pentru a stabiliza parametrii de polarizare, acesta este derivat de un condensator CE cu o astfel de capacitate încât la frecvența semnalului de intrare emițătorul poate fi considerat

Tranziții

Din cartea Arta ficțiunii [Un ghid pentru scriitori și cititori.] de Rand Ayn

Tranziții O problemă dificilă, la care de obicei nu se gândește până când este întâmpinată direct, este cum să treci dintr-un punct în altul - de exemplu, cum să duci o persoană dintr-o cameră pe stradă sau cum să o faci să traverseze o cameră a ridica ceva. Pe scenă despre acestea

Tranziții

Din cartea Cal de dresaj autorul Boldt Harry

Tranziții Tranzițiile de la un mers la altul și de la un ritm la altul trebuie să fie clar vizibile, dar efectuate lin, nu sacadat. Când executați un program, trebuie să vă concentrați pe efectuarea tranzițiilor exact în locul prescris. Pâna la

Experimente de fază

Din cartea Superputerile creierului uman. Călătorie în subconștient autorul Rainbow Michael

Experimente de fază În această secțiune, accentul nu se pune pe însuși faptul atingerii fazei, ci pe acțiunile interne ulterioare din aceasta: deplasarea în spațiu, controlul acestuia, găsirea de obiecte și experimente Practicanții din când în când încearcă să-și orienteze experimentele către

§ 4.18 Tranziții de fază de primul și al doilea fel

Din cartea Ritz Ballistic Theory and the Picture of the Universe autor Semikov Serghei Alexandrovici

§ 4.18 Tranziții de fază de tipul I și al II-lea Consider că ar trebui să introducem în fizică conceptele de simetrie, atât de familiare cristalografilor. P. Curie, „On the Symmetry of Physical Phenomena”, 1894. Aceste studii, dacă ar fi continuate de P. Curie, ar putea avea probabil de dezvoltare

7. Tranziții de fază de primul și al doilea fel

autor Buslaeva Elena Mihailovna

7. Tranziții de fază de tipul I și II Componentele în stare lichidă (componentele A) sunt solubile pe termen nelimitat, componentele în stare solidă (componentele B) nu formează compuși chimici și sunt insolubile.Diagramele de stare reprezintă un grafic în coordonatele lui aliajul -

12. Transformări de fază în stare solidă

Din cartea Materials Science. Pat de copil autor Buslaeva Elena Mihailovna

12. Transformări de fază în stare solidă O fază este o parte omogenă a sistemului, care este separată de o altă parte a sistemului (fază) printr-o interfață, la trecerea prin care compoziția chimică sau structura se modifică brusc.Când metalul pur cristalizează în

27. Structura și proprietățile fierului; diagrame de fază metastabile și stabile fier-carbon. Formarea structurii oțelurilor carbon. Determinarea conținutului de carbon în oțel după structură

Din cartea Materials Science. Pat de copil autor Buslaeva Elena Mihailovna

27. Structura și proprietățile fierului; diagrame de fază metastabile și stabile fier-carbon. Formarea structurii oțelurilor carbon. Determinarea conținutului de carbon în oțel după structură Aliajele fier-carbon sunt cel mai frecvent metal

Tranziția de fază (transformarea de fază) în termodinamică- trecerea unei substante de la o faza termodinamica la alta cand se schimba conditiile externe. Din punctul de vedere al mișcării unui sistem de-a lungul unei diagrame de fază cu o modificare a parametrilor săi intensivi (temperatura, presiunea etc.), o tranziție de fază are loc atunci când sistemul traversează linia care separă două faze. Deoarece diferite faze termodinamice sunt descrise de diferite ecuații de stare, este întotdeauna posibil să se găsească o cantitate care se modifică brusc în timpul unei tranziții de fază.

Deoarece împărțirea în faze termodinamice este o clasificare mai mică a stărilor decât împărțirea în stări agregate a unei substanțe, nu fiecare tranziție de fază este însoțită de o schimbare a stării agregate. Cu toate acestea, orice modificare a stării de agregare este o tranziție de fază.

Cele mai frecvent considerate tranziții de fază sunt cele cu o modificare a temperaturii, dar la o presiune constantă (de obicei egală cu 1 atmosferă). De aceea se folosesc adesea termenii „punct” (și nu linie) ai unei tranziții de fază, punct de topire etc.. Desigur, o tranziție de fază poate avea loc atât cu o schimbare a presiunii, cât și la temperatură și presiune constante, dar cu o modificare a concentrației componentelor (de exemplu, aspectul cristalelor de sare într-o soluție care a ajuns la saturație).

Clasificarea tranzițiilor de fază

La tranziție de fază de ordinul întâi cei mai importanți, parametrii extensivi primari se modifică brusc: volumul specific, cantitatea de energie internă stocată, concentrația componentelor etc. Subliniem: ne referim la modificarea bruscă a acestor cantități cu modificări de temperatură, presiune etc., și nu o schimbare bruscă în timp (pentru aceasta din urmă, vezi secțiunea Dinamica tranzițiilor de fază de mai jos).

Cele mai comune exemple tranziții de fază de primul fel:

• topirea si solidificarea
• fierbere și condensare
• sublimare și desublimare

La tranziție de fază de al doilea fel densitatea și energia internă nu se schimbă, așa că o astfel de tranziție de fază poate să nu fie vizibilă cu ochiul liber. Saltul este experimentat de derivatele lor în ceea ce privește temperatura și presiunea: capacitatea termică, coeficientul de dilatare termică, diverse susceptibilități etc.

Tranziții de fază de al doilea fel apar în acele cazuri când se modifică simetria structurii unei substanțe (simetria poate dispărea sau scădea complet). Descrierea unei tranziții de fază de ordinul doi ca o consecință a unei schimbări de simetrie este dată de teoria lui Landau. În prezent, se obișnuiește să se vorbească nu despre o modificare a simetriei, ci despre aspectul în punctul de tranziție al parametrului de ordine, care este egal cu zero într-o fază mai puțin ordonată și variază de la zero (în punctul de tranziție) la diferit de zero. valori într-o fază mai ordonată.

Cele mai comune exemple de tranziții de fază de ordinul doi: trecerea unui sistem printr-un punct critic

• tranziție paramagnet-feromagnet sau paramagnet-antiferomagnet (parametru de comandă - magnetizare)
• tranziția metalelor și aliajelor la starea de supraconductivitate (parametrul de ordine este densitatea condensatului supraconductor)
• tranziția heliului lichid la starea superfluid (pp - densitatea componentei superfluid)
• trecerea materialelor amorfe la starea sticloasă

Fizica modernă investighează și sistemele care au tranziții de fază ale celui de-al treilea sau de tip superior.

Recent, conceptul de tranziție de fază cuantică a devenit larg răspândit, adică. o tranziție de fază controlată nu de fluctuațiile termice clasice, ci de cele cuantice, care există chiar și la temperaturi zero absolut, unde o tranziție de fază clasică nu poate fi realizată datorită teoremei Nernst.

Dinamica tranzițiilor de fază

După cum sa menționat mai sus, un salt în proprietățile unei substanțe înseamnă un salt cu o schimbare de temperatură și presiune. În realitate, acționând asupra sistemului, nu modificăm aceste cantități, ci volumul și energia sa internă totală. Această schimbare are loc întotdeauna la o rată finită, ceea ce înseamnă că pentru a „acoperi” întregul decalaj de densitate sau energie internă specifică, avem nevoie de un timp finit. În acest timp, tranziția de fază nu are loc imediat în întregul volum al substanței, ci treptat. În acest caz, în cazul unei tranziții de fază de ordinul întâi, o anumită cantitate de energie este eliberată (sau luată), care se numește căldura tranziției de fază. Pentru ca tranziția de fază să nu se oprească, este necesar să eliminați (sau să furnizați) în mod continuu această căldură sau să o compensați prin efectuarea lucrărilor la sistem.

Ca urmare, în acest timp, punctul din diagrama de fază care descrie sistemul „îngheață” (adică presiunea și temperatura rămân constante) până când procesul este finalizat.

Literatură

• Bazarov I.P. Termodinamică. - M.: Şcoala superioară, 1991, 376 p.
• Bazarov IP Iluzii și erori în termodinamică. Ed. a 2-a rev. - M.: Editorial URSS, 2003. 120 p.
• Kvasnikov IA Termodinamică și fizică statistică. V.1: Teoria sistemelor de echilibru: Termodinamică. - Vol.1. Ed. 2, rev. si suplimentare - M.: URSS, 2002. 240 p.
• Stanley. D. Tranziții de fază și fenomene critice. - M.: Mir, 1973.
• Patashinsky AZ, Pokrovskiy VL Teoria fluctuației tranzițiilor de fază. - M.: Nauka, 1981.
• Gufan Yu. M. Teoria termodinamică a tranzițiilor de fază. - Rostov n/a: Editura Universității din Rostov, 1982. - 172 p.

O ramură importantă a termodinamicii este studiul transformărilor dintre diferitele faze ale unei substanțe, deoarece aceste procese au loc în practică și au o importanță fundamentală pentru prezicerea comportamentului unui sistem în anumite condiții. Aceste transformări se numesc tranziții de fază, cărora le este dedicat articolul.

Conceptul de fază și de componentă a sistemului

Înainte de a trece la considerarea tranzițiilor de fază în fizică, este necesar să definim conceptul de fază în sine. După cum se știe din cursul fizicii generale, există trei stări ale materiei: gazoasă, solidă și lichidă. Într-o secțiune specială a științei - în termodinamică - legile sunt formulate pentru fazele materiei, și nu pentru stările lor de agregare. O fază este înțeleasă ca un anumit volum de materie care are o structură omogenă, se caracterizează prin proprietăți fizice și chimice specifice și este separată de restul materiei prin limite, care se numesc interfază.

Astfel, conceptul de „fază” poartă informații mult mai semnificative practic despre proprietățile materiei decât starea ei de agregare. De exemplu, starea solidă a unui metal, cum ar fi fierul, poate fi în următoarele faze: cubic centrat pe corp magnetic la temperatură joasă (BCC), bcc nemagnetic la temperatură joasă, cubic centrat pe față (fcc) și bcc nemagnetic la temperatură înaltă.

Pe lângă conceptul de „fază”, legile termodinamicii folosesc și termenul de „componente”, care înseamnă numărul de elemente chimice care alcătuiesc un anumit sistem. Aceasta înseamnă că faza poate fi atât monocomponentă (1 element chimic), cât și multicomponentă (mai multe elemente chimice).

Teorema lui Gibbs și echilibrul între fazele unui sistem

Pentru a înțelege tranzițiile de fază, este necesar să se cunoască condițiile de echilibru dintre ele. Aceste condiții pot fi obținute matematic prin rezolvarea sistemului de ecuații Gibbs pentru fiecare dintre ele, presupunând că starea de echilibru este atinsă atunci când energia Gibbs totală a sistemului izolat de influența externă încetează să se schimbe.

Ca urmare a rezolvării acestui sistem de ecuații, se obțin condiții pentru existența echilibrului între mai multe faze: un sistem izolat va înceta să evolueze numai atunci când presiunile, potențialele chimice ale fiecărei componente și temperaturile în toate fazele sunt egale între ele.

Regula fazei Gibbs pentru echilibru

Un sistem format din mai multe faze și componente poate fi în echilibru nu numai în anumite condiții, de exemplu, la o anumită temperatură și presiune. Unele dintre variabilele din teorema Gibbs pentru echilibru pot fi modificate menținând atât numărul de faze, cât și numărul de componente care se află în acest echilibru. Numărul de variabile care pot fi modificate fără a perturba echilibrul în sistem se numește numărul de libertăți ale acestui sistem.

Numărul de libertăți l ale unui sistem format din f faze și k componente este determinat în mod unic din regula fazei Gibbs. Această regulă este scrisă matematic după cum urmează: l + f = k + 2. Cum se lucrează cu această regulă? Foarte simplu. De exemplu, se știe că sistemul este format din f=3 faze de echilibru. Care este numărul minim de componente pe care un astfel de sistem poate conține? Puteți răspunde la întrebare raționând astfel: în cazul echilibrului, condițiile cele mai stricte există atunci când se realizează numai la anumiți indicatori, adică o modificare a oricărui parametru termodinamic va duce la dezechilibru. Aceasta înseamnă că numărul de libertăți l=0. Înlocuind valorile cunoscute ale lui l și f, obținem k=1, adică un sistem în care trei faze sunt în echilibru poate fi format dintr-o componentă. Un exemplu izbitor este punctul triplu al apei, când gheața, apa lichidă și aburul există în echilibru la anumite temperaturi și presiuni.

Clasificarea transformărilor de fază

Dacă începeți să schimbați unele într-un sistem care este în echilibru, atunci puteți observa cum va dispărea o fază și va apărea alta. Un exemplu simplu al acestui proces este topirea gheții atunci când este încălzită.

Având în vedere că ecuația lui Gibbs depinde doar de două variabile (presiune și temperatură), iar o tranziție de fază implică o modificare a acestor variabile, atunci matematic tranziția între faze poate fi descrisă prin diferențierea energiei Gibbs în raport cu variabilele sale. Această abordare a fost folosită de fizicianul austriac Paul Ehrenfest în 1933, când a alcătuit o clasificare a tuturor proceselor termodinamice cunoscute care apar cu o schimbare a echilibrului de fază.

Din elementele de bază ale termodinamicii rezultă că prima derivată a energiei Gibbs în raport cu temperatura este egală cu modificarea entropiei sistemului. Derivata energiei Gibbs în raport cu presiunea este egală cu modificarea volumului. Dacă, atunci când fazele din sistem se modifică, entropia sau volumul suferă o întrerupere, adică se schimbă brusc, atunci se vorbește despre o tranziție de fază de ordinul întâi.

În plus, derivatele secunde ale energiei Gibbs în raport cu temperatură și presiune sunt capacitatea termică și, respectiv, coeficientul de dilatare volumetrică. Dacă transformarea între faze este însoțită de o discontinuitate în valorile mărimilor fizice indicate, atunci se vorbește de o tranziție de fază de ordinul doi.

Exemple de transformări între faze

Există un număr mare de tranziții diferite în natură. În cadrul acestei clasificări, exemple izbitoare de tranziții de primul fel sunt procesele de topire a metalelor sau de condensare a vaporilor de apă din aer, atunci când există un salt de volum în sistem.

Dacă vorbim despre tranziții de al doilea fel, atunci exemple izbitoare sunt transformarea fierului dintr-o stare magnetică într-o stare paramagnetică la o temperatură de 768 ºC sau transformarea unui conductor metalic într-o stare supraconductoare la temperaturi apropiate de zero absolut.

Ecuații care descriu tranzițiile de primul fel

În practică, este adesea necesar să se cunoască modul în care temperatura, presiunea și energia absorbită (eliberată) se modifică într-un sistem atunci când au loc transformări de fază în acesta. Două ecuații importante sunt utilizate în acest scop. Ele sunt obținute pe baza cunoștințelor de bază ale termodinamicii:

1. Formula lui Clapeyron, care stabilește relația dintre presiune și temperatură în timpul transformărilor dintre diferite faze.
2. Formula Clausius, care raportează energia absorbită (eliberată) și temperatura sistemului în timpul transformării.

Utilizarea ambelor ecuații este nu numai în obținerea dependențelor cantitative ale mărimilor fizice, ci și în determinarea semnului pantei curbelor de echilibru în diagramele de fază.

Ecuație pentru descrierea tranzițiilor de al doilea fel

Tranzițiile de fază de primul și al doilea fel sunt descrise prin ecuații diferite, deoarece utilizarea lui și Clausius pentru tranzițiile de al doilea fel duce la incertitudine matematică.

Pentru a descrie acestea din urmă se folosesc ecuațiile Ehrenfest, care stabilesc o relație între modificările de presiune și temperatură prin cunoașterea modificării capacității termice și a coeficientului de dilatare volumetrică în timpul procesului de transformare. Ecuațiile Ehrenfest sunt folosite pentru a descrie tranzițiile conductor-superconductor în absența unui câmp magnetic.

Importanța diagramelor de fază

Diagramele de fază sunt o reprezentare grafică a zonelor în care fazele corespunzătoare există în echilibru. Aceste zone sunt separate prin linii de echilibru între faze. Axele P-T (presiune-temperatura), T-V (temperatura-volum) și P-V (presiune-volum) sunt adesea utilizate.

Importanța diagramelor de fază constă în faptul că vă permit să preziceți în ce fază se va afla sistemul atunci când condițiile externe se schimbă în consecință. Aceste informații sunt utilizate în tratamentul termic al diferitelor materiale pentru a obține o structură cu proprietățile dorite.