27. Štruktúra a vlastnosti železa; metastabilné a stabilné fázové diagramy železo-uhlík. Tvorba štruktúry uhlíkových ocelí. Stanovenie obsahu uhlíka v oceli podľa štruktúry Zliatiny železa a uhlíka sú najbežnejším kovom

Úvod.

Fázy sa nazývajú homogénne rôzne časti fyzikálno-chemických systémov. Látka je homogénna, keď sú všetky parametre skupenstva látky rovnaké vo všetkých jej objemoch, ktorých rozmery sú veľké v porovnaní s medziatómovými stavmi. Zmesi rôznych plynov tvoria vždy jednu fázu, ak sú v celom objeme v rovnakej koncentrácii.

Tá istá látka môže byť v závislosti od vonkajších podmienok v jednom z troch stavov agregácie – kvapalná, tuhá alebo plynná. V závislosti od vonkajších podmienok môže byť v jednej fáze, alebo vo viacerých fázach naraz. V prírode okolo nás obzvlášť často pozorujeme fázové prechody vody. Napríklad: vyparovanie, kondenzácia. Existujú tlakové a teplotné podmienky, za ktorých je látka v rôznych fázach v rovnováhe. Napríklad pri skvapalňovaní plynu v stave fázovej rovnováhy môže byť objem akýkoľvek a teplota prechodu súvisí s tlakom nasýtených pár. Teploty, pri ktorých dochádza k prechodom z jednej fázy do druhej, sa nazývajú prechodové teploty. Závisia od tlaku, hoci v rôznej miere: bod topenia je slabší, teplota vyparovania a sublimácie je silnejšia. Pri normálnom a konštantnom tlaku dochádza pri určitej teplote k prechodu a tu dochádza k topeniu, varu a sublimácii (alebo sublimácii). Sublimácia je prechod látky z pevného do plynného skupenstva, ktorý možno pozorovať napríklad v obaloch kometárnych chvostov. Keď je kométa ďaleko od Slnka, takmer všetka jej hmota je sústredená v jej jadre, ktoré meria 10-12 kilometrov. Jadro obklopené malým obalom plynu je takzvaná hlava kométy. Pri približovaní sa k Slnku sa jadro a obaly kométy začínajú zahrievať, zvyšuje sa pravdepodobnosť sublimácie a znižuje sa desublimácia. Plyny unikajúce z jadra kométy strhávajú so sebou pevné častice, hlava kométy zväčšuje svoj objem a stáva sa plynným a prašným zložením.

Fázové prechody prvého a druhého druhu.

Fázové prechody sú niekoľkých druhov. Zmeny v agregovaných stavoch látky sa nazývajú fázové prechody prvého rádu, ak:

1) Teplota je konštantná počas celého prechodu.

2) Hlasitosť systému sa mení.

3) Entropia systému sa mení.

Aby k takémuto fázovému prechodu došlo, je potrebné, aby daná hmota látky obalila určité množstvo tepla zodpovedajúce latentnému teplu premeny. Počas prechodu kondenzovanej fázy na fázu s nižšou hustotou sa totiž musí odovzdať určité množstvo energie vo forme tepla, ktoré povedie k zničeniu kryštálovej mriežky (počas topenia) alebo k odstráneniu molekúl kvapaliny z každej z nich. iné (pri vaporizácii). Počas premeny prejde latentné teplo k premene kohéznych síl, intenzita tepelného pohybu sa nezmení, v dôsledku toho zostane teplota konštantná. S takýmto prechodom sa zvyšuje stupeň neusporiadanosti a tým aj entropia. Ak proces ide opačným smerom, potom sa uvoľní latentné teplo. Medzi fázové prechody prvého druhu patria: premena tuhej látky na kvapalinu (topenie) a spätný proces (kryštalizácia), kvapalina na paru (vyparovanie, var). Jedna kryštalická modifikácia - iná (polymorfné transformácie). Medzi fázové prechody druhého druhu patria: prechod normálneho vodiča do supravodivého stavu, hélia-1 na supratekuté hélium-2, feromagnetika na paramagnet. Kovy ako železo, kobalt, nikel a gadolínium vynikajú svojou schopnosťou vysoko magnetizovať a udržiavať stav magnetizácie po dlhú dobu. Nazývajú sa feromagnety. Väčšina kovov (alkalické kovy a kovy alkalických zemín a významná časť prechodných kovov) je slabo magnetizovaná a mimo magnetického poľa si tento stav neuchovávajú – ide o paramagnety. Fázové prechody druhého, tretieho, atď. druhu sú spojené s poradím tých derivátov termodynamického potenciálu f, ktoré majú konečné merania v bode prechodu. Takáto klasifikácia fázových transformácií je spojená s prácou teoretického fyzik Paul Ernest (1880 -1933). Takže v prípade fázového prechodu druhého rádu zažívajú deriváty druhého rádu skoky v bode prechodu: tepelná kapacita pri konštantnom tlaku ?p 2), koeficient tepelnej rozťažnosti b \u003d (1 / V 0) (? 2 f /? Tp), zatiaľ čo prvé derivácie zostávajú spojité. To znamená, že nedochádza k uvoľňovaniu (absorpcii) tepla a k zmene špecifického objemu (φ - termodynamický potenciál).

Stav fázovej rovnováhy je charakterizovaný určitým vzťahom medzi teplotou fázovej transformácie a tlakom. Numericky je táto závislosť pre fázové prechody daná Clausiovou-Clapeyronovou rovnicou: p/T=q/TV. Výskum pri nízkych teplotách je veľmi dôležitým odvetvím fyziky. Faktom je, že týmto spôsobom je možné zbaviť sa rušenia spojeného s chaotickým tepelným pohybom a študovať javy v „čistej“ forme. Toto je obzvlášť dôležité pri štúdiu kvantových zákonitostí. Zvyčajne sa v dôsledku chaotického tepelného pohybu fyzikálna veličina spriemeruje z veľkého počtu jej rôznych hodnôt a kvantové skoky sa „vymazávajú“.

Nízke teploty (kryogénne teploty), vo fyzike a kryogénnej technológii je teplotný rozsah pod 120°K (0°C=273°K); práca Carnota (pracoval na tepelnom stroji) a Clausius položili základ výskumu vlastností plynov a pár, či technickej termodynamiky. V roku 1850 si Clausius všimol, že nasýtená vodná para počas expanzie čiastočne kondenzuje a počas kompresie sa prehrieva. Renu mimoriadne prispel k rozvoju tejto vednej disciplíny. Vnútorný objem molekúl plynu pri izbovej teplote je približne jedna tisícina objemu, ktorý zaberá plyn. Okrem toho sa molekuly navzájom priťahujú vo väčších vzdialenostiach ako tie, z ktorých začína ich odpudzovanie.

Fáza je termodynamicky rovnovážny stav látky, ktorý sa svojimi fyzikálnymi vlastnosťami líši od iných možných rovnovážnych stavov tej istej látky. Ak je napríklad voda v uzavretej nádobe, tak tento systém je dvojfázové: kvapalná fáza - voda; plynná fáza – zmes vzduchu a vodnej pary. Ak sa kúsky ľadu hodia do vody, potom sa tento systém stane trojfázovým, v ktorom je ľad pevnou fázou. Často sa pojem „fáza“ používa v zmysle stavu agregácie, no treba mať na pamäti, že je širší ako pojem „agregovaný stav“. V rámci jedného stavu agregácie môže byť látka vo viacerých fázach, ktoré sa líšia svojimi vlastnosťami, zložením a štruktúrou (ľad sa napríklad vyskytuje v piatich rôznych modifikáciách – fázach). Prechod látky z jednej fázy do druhej – fázový prechod – je vždy spojený s kvalitatívnymi zmenami vlastností látky. Príkladom fázového prechodu môžu byť zmeny stavu agregácie látky alebo prechody spojené so zmenami v zložení, štruktúre a vlastnostiach látky (napríklad prechod kryštalickej látky z jednej modifikácie na druhú).

Existujú dva druhy fázových prechodov. Fázový prechod prvého druhu (napríklad topenie, kryštalizácia atď.) je sprevádzaný absorpciou alebo uvoľňovaním tepla, ktoré sa nazýva teplo fázového prechodu. Fázové prechody prvého druhu sú charakterizované stálosťou teploty, zmenami entropie a objemu. Vysvetlenie je možné uviesť nasledovne. Napríklad pri tavení musí byť telu odovzdané určité množstvo tepla, aby došlo k deštrukcii kryštálovej mriežky. Teplo dodávané pri tavení nejde na zahriatie telesa, ale na prerušenie medziatómových väzieb, takže tavenie prebieha pri konštantnej teplote. Pri takýchto prechodoch - z viac usporiadaného kryštalického stavu do menej usporiadaného kvapalného stavu - sa stupeň neusporiadanosti zvyšuje, t. j. podľa druhého zákona termodynamiky je tento proces spojený so zvýšením entropie systému. Ak dôjde k prechodu v opačnom smere (kryštalizácia), potom systém uvoľňuje teplo.

Fázové prechody, ktoré nie sú spojené s absorpciou alebo uvoľňovaním tepla a zmenou objemu, sa nazývajú fázové prechody druhého rádu. Tieto prechody sú charakterizované konštantným objemom a entropiou, ale náhlou zmenou tepelnej kapacity. Všeobecnú interpretáciu fázových prechodov druhého druhu navrhol akademik L. D. Landau (1908-1968). Podľa tejto interpretácie sú fázové prechody druhého rádu spojené so zmenou symetrie: nad bodom prechodu má systém spravidla vyššiu symetriu ako pod bodom prechodu. Príklady fázových prechodov druhého druhu sú: prechod feromagnetických látok (železo, nikel) pri určitom tlaku a teplote do paramagnetického stavu; prechod kovov a niektorých zliatin pri teplote blízkej 0 K do supravodivého stavu, charakterizovaný prudkým poklesom elektrického odporu na nulu; transformácia obyčajného tekutého hélia (hélium I) pri T=2,9K na inú tekutú modifikáciu (hélium II) so supratekutými vlastnosťami.

Fázy- sú to rôzne homogénne časti fyzikálno-chemických systémov. Látka je homogénna, keď sú všetky parametre skupenstva látky rovnaké vo všetkých jej elementárnych objemoch, ktorých rozmery sú veľké v porovnaní s medziatómovými stavmi. Zmesi rôznych plynov tvoria vždy jednu fázu, ak sú v celom objeme v rovnakej koncentrácii. Tá istá látka môže byť v závislosti od vonkajších podmienok v jednom z troch stavov agregácie – kvapalná, tuhá alebo plynná. Fázy sú stabilné stavy určitého stavu agregácie. Pojem fázy je širší ako pojem agregovaného stavu.

V závislosti od vonkajších podmienok môže byť systém v rovnováhe buď v jednej fáze, alebo vo viacerých fázach naraz. Ich rovnovážna existencia sa nazýva fázová rovnováha.

Odparovanie a kondenzácia -často pozorované fázové prechody vody v prírodnom prostredí. Pri prechode vody do pary dochádza najskôr k odparovaniu - prechodu povrchovej vrstvy kvapaliny na paru, zatiaľ čo do pary prechádzajú len najrýchlejšie molekuly: musia prekonať príťažlivosť okolitých molekúl, teda ich priemernú kinetickú energiu, a teda aj pokles teploty kvapaliny. Pozorované v každodennom živote a opačný proces - kondenzácia. Oba tieto procesy závisia od vonkajších podmienok. V niektorých prípadoch sa medzi nimi vytvorí dynamická rovnováha, keď sa počet molekúl opúšťajúcich kvapalinu rovná počtu molekúl, ktoré sa do nej vracajú. Molekuly v kvapaline sú viazané príťažlivými silami, ktoré ich držia v kvapaline. Ak sa molekuly s rýchlosťami, ktoré presahujú priemer, nachádzajú blízko povrchu, môžu ho opustiť. Potom sa priemerná rýchlosť zostávajúcich molekúl zníži a teplota kvapaliny sa zníži. Na odparovanie pri konštantnej teplote musí byť kvapaline odovzdané určité množstvo tepla: Q= rt, kde r je merné skupenské teplo vyparovania, ktoré s rastúcou teplotou klesá. Pri izbovej teplote je pre jednu molekulu vody výparné teplo 10 -20 J, pričom priemerná energia tepelného pohybu je 6,06 10 -21 J. To znamená, že

molekuly s energiou, ktorá je 10-násobkom energie tepelného pohybu. Pri prechode cez povrch kvapaliny sa potenciálna energia rýchlej molekuly zvyšuje, zatiaľ čo kinetická energia klesá. Preto sú priemerné kinetické energie molekúl pary a kvapaliny v tepelnej rovnováhe rovnaké.

Nasýtená para - je to para v dynamickej rovnováhe, zodpovedajúca danej teplote, s jej kvapalinou. Skúsenosti ukazujú, že nedodržiava Boyleov-Mariottov zákon, pretože jeho tlak nezávisí od objemu. Tlak nasýtených pár je najvyšší tlak, ktorý môže mať para pri danej teplote. Procesy vyparovania a kondenzácie vody spôsobujú zložité interakcie medzi atmosférou a hydrosférou, ktoré sú dôležité pre vznik počasia a klímy. Medzi atmosférou a hydrosférou prebieha nepretržitá výmena hmoty (cyklus vody) a energie.

Štúdie ukázali, že z povrchu Svetového oceánu, ktorý tvorí 94 % zemskej hydrosféry, sa denne vyparí asi 7 000 km 3 vody a približne rovnaké množstvo spadne vo forme zrážok. Vodná para unášaná konvekčným pohybom vzduchu stúpa nahor a vstupuje do studených vrstiev troposféry. Ako stúpa, para sa stáva viac a viac nasýtenou, potom kondenzuje a vytvára dažďové kvapky. Pri procese kondenzácie pary v troposfére sa denne uvoľní asi 1,6 – 10 22 J tepla, čo je desaťtisíckrát viac ako energia vygenerovaná ľudstvom za rovnaký čas.

Vriaci- proces premeny kvapaliny na paru v dôsledku vzniku bublín naplnených parou. V celom objeme dochádza k varu. Prasknutie bublín na povrchu vriacej kvapaliny naznačuje, že tlak pár v nich prevyšuje tlak nad povrchom kvapaliny. Pri teplote 100 °C sa tlak nasýtených pár rovná tlaku vzduchu nad povrchom kvapaliny (takto bol zvolený tento bod na stupnici). Vo výške 5 km je tlak vzduchu polovičný a voda tam vrie pri 82 ° C a na hranici troposféry (17 km) - približne 65 ° C. Preto bod varu kvapaliny zodpovedá teplote, pri ktorej sa tlak nasýtených pár rovná vonkajšiemu tlaku. Slabé gravitačné pole Mesiaca (zrýchlenie voľného pádu v blízkosti jeho povrchu je iba 1,7 m/s 2) nie je schopné udržať atmosféru a pri absencii atmosférického tlaku kvapalina okamžite vrie, takže lunárny “ moria“ sú bezvodé a tvoria ich zamrznutá láva. Z rovnakého dôvodu sú bezvodé aj marťanské „kanály“.

Látka môže byť v rovnováhe a v rôznych fázach. Takže pri skvapalňovaní plynu v stave fázovej rovnováhy môže byť objem akýkoľvek a teplota prechodu súvisí s tlakom nasýtených pár. Krivku fázovej rovnováhy možno získať premietnutím do roviny (p, t) oblasti prechodu do tekutého stavu. Analyticky sa z riešenia Clausiusovej-Clapeyronovej diferenciálnej rovnice určí rovnovážna krivka dvoch fáz. Podobne je možné získať krivky topenia a sublimácie, ktoré sú spojené v jednom bode roviny (R, D), v trojitom bode (pozri obr. 7.1), kde sú v určitých pomeroch rovnaké

všetky tri fázy. Trojitý bod vody zodpovedá tlaku 569,24 Pa a teplote -0,0075 °C; oxid uhličitý - 5,18 10 5 Pa a 56,6 ° C, v tomto poradí. Preto pri atmosférickom tlaku R, rovný 101,3 kPa, oxid uhličitý môže byť v pevnom alebo plynnom stave. Pri kritickej teplote sa fyzikálne vlastnosti kvapaliny a pary zhodujú. Pri teplotách nad kritickým bodom môže byť látka iba v plynnom stave. Na vodu - T= 374,2 °С, R= 22,12 MPa; pre chlór - 144 °C a 7,71 MPa.

Prechodové teploty sú teploty, pri ktorých dochádza k prechodom z jednej fázy do druhej. Závisia od tlaku, hoci v rôznej miere: bod topenia je nižší, teploty vyparovania a sublimácie sú silnejšie. Pri normálnom a konštantnom tlaku dochádza pri určitej teplote k prechodu a tu dochádza k bodom topenia, varu a sublimácie (alebo sublimácie).

Prechod hmoty z pevného skupenstva priamo do plynného skupenstva možno pozorovať napríklad v obaloch kometárnych chvostov. Keď je kométa ďaleko od Slnka, takmer všetka jej hmota je sústredená v jej jadre, ktoré má veľkosť 10-12 km. Jadro je obklopené malou škrupinou plynu - to je hlava kométy. Pri približovaní sa k Slnku sa jadro a obal kométy začínajú zahrievať, zvyšuje sa pravdepodobnosť sublimácie a znižuje sa desublimácia (obrátený proces). Plyny unikajúce z jadra kométy odnášajú pevné častice, hlava kométy zväčšuje svoj objem a stáva sa z nej plynom a prachom. Tlak kometárneho jadra je veľmi nízky, takže kvapalná fáza sa nevyskytuje. Spolu s hlavou rastie kométe aj chvost, ktorý sa tiahne smerom od Slnka. V niektorých kométach dosahuje v perihéliu stovky miliónov kilometrov, ale hustoty v kometárnej hmote sú zanedbateľné. Pri každom priblížení sa k Slnku kométy strácajú väčšinu svojej hmoty, v jadre sublimuje stále viac prchavých látok a postupne sa rozpadáva na meteorické telesá, ktoré tvoria meteorické roje. Za 5 miliárd rokov existencie slnečnej sústavy takto ukončilo svoju existenciu mnoho komét.

Na jar 1986 boli do vesmíru vyslané automatické sovietske stanice „Vega-1“ a „Vega-2“, aby študovali Halleyho kométu, ktorá od nej prešla vo vzdialenosti 9000, respektíve 8200 km, a stanicu NASA „Giotto“. “ - vo vzdialenosti iba 600 km od jadra kométy. Jadro malo veľkosť 14 x 7,5 km, tmavú farbu a teplotu asi 400 K. Keď vesmírne stanice prešli hlavou kométy, za 1 s sublimovalo asi 40 000 kg ľadovej hmoty.

Koncom jesene, keď po daždivom počasí nastúpi ostrý chlad, možno pozorovať na konároch stromov a na drôtoch

mráz sú desublimované ľadové kryštály. Podobný jav sa využíva aj pri skladovaní zmrzliny, kedy sa oxid uhličitý ochladzuje, keďže molekuly prechádzajúce do pary odoberajú energiu. Na Marse zohrávajú fenomény sublimácie a desublimácie oxidu uhličitého v polárnych čiapkach rovnakú úlohu ako vyparovanie – kondenzácia v atmosfére a hydrosfére Zeme.

Tepelná kapacita má tendenciu k nule pri ultranízkych teplotách, ako zistil Nernst. Z toho Planck ukázal, že blízko absolútnej nuly všetky procesy prebiehajú bez zmeny entropie. Einsteinova teória tepelnej kapacity pevných látok pri nízkych teplotách umožnila sformulovať Nernstov výsledok ako tretí termodynamický zákon. Nezvyčajné vlastnosti látok pozorované pri nízkych teplotách – supratekutosť a supravodivosť – boli v modernej teórii vysvetlené ako makroskopické kvantové efekty.

Fázové prechody sú niekoľkých druhov. Počas fázového prechodu sa teplota nemení, ale mení sa objem systému.

Fázové prechody prvého druhu zmeny agregovaných stavov látky sa nazývajú, ak: teplota je konštantná počas celého prechodu; objem systému sa mení; mení sa entropia systému. Aby k takémuto fázovému prechodu došlo, je potrebné odovzdať určité množstvo tepla danej hmote látky, zodpovedajúce latentnému teplu premeny.

Počas prechodu z kondenzovanejšej fázy na fázu s nižšou hustotou sa totiž musí odovzdať určité množstvo energie vo forme tepla, ktoré povedie k zničeniu kryštálovej mriežky (počas tavenia) alebo k odstráneniu molekúl kvapaliny z navzájom (počas vaporizácie). Počas premeny sa latentné teplo vynakladá na prekonanie kohéznych síl, intenzita tepelného pohybu sa nemení, v dôsledku toho zostáva teplota konštantná. S takýmto prechodom sa zvyšuje stupeň neusporiadanosti a tým aj entropia. Ak proces ide opačným smerom, potom sa uvoľní latentné teplo.

Fázové prechody druhého druhu spojené so zmenou symetrie systému: nad bodom prechodu má systém spravidla vyššiu symetriu, ako ukázal L.D. Landau v roku 1937. Napríklad v magnete sú spinové momenty nad bodom prechodu náhodne orientované a súčasné otáčanie všetkých spinov okolo rovnakej osi o rovnaký uhol nemení vlastnosti systému. Pod bodmi prechodu majú spiny určitú preferenčnú orientáciu a ich súčasná rotácia mení smer magnetického momentu systému. Landau zaviedol koeficient usporiadania a rozšíril termodynamický potenciál v bode prechodu o mocniny tohto koeficientu, na základe čoho postavil klasifikáciu všetkých možných typov prechodov.

Dov, ako aj teória javov supratekutosti a supravodivosti. Na tomto základe Landau a Lifshitz uvažovali o mnohých dôležitých problémoch – prechod feroelektrika na paraelektrikum, feromagnetika na paramagnet, absorpcia zvuku v bode prechodu, prechod kovov a zliatin do supravodivého stavu atď.

Výpočet termodynamických vlastností systému na základe štatistickej mechaniky zahŕňa výber konkrétneho modelu systému a čím je systém zložitejší, tým by mal byť model jednoduchší. E. Ising navrhol model feromagnetika (1925) a vyriešil problém jednorozmerného reťazca, berúc do úvahy interakciu s najbližšími susedmi pre akékoľvek polia a teploty. Pri matematickom popise takýchto systémov častíc s intenzívnou interakciou sa volí zjednodušený model, kedy dochádza len k interakcii párového typu (takýto dvojrozmerný model sa nazýva Isingova mriežka). Ale fázové prechody neboli vždy vypočítané, pravdepodobne kvôli niektorým nezohľadneným javom spoločným pre systémy mnohých častíc a na povahe samotných častíc (kvapalné častice alebo magnety) nezáleží. L. Onsager podal presné riešenie pre dvojrozmerný Isingov model (1944). Na mriežkové uzly umiestnil dipóly, ktoré sa môžu orientovať iba dvoma spôsobmi a každý takýto dipól môže interagovať iba so svojím susedom. Ukázalo sa, že v bode prechodu tepelná kapacita ide do nekonečna podľa logaritmického zákona symetricky na oboch stranách bodu prechodu. Neskôr sa ukázalo, že tento záver je veľmi dôležitý pre všetky fázové prechody druhého rádu. Onsagerova práca ukázala, že metóda štatistickej mechaniky umožňuje získať nové výsledky pre fázové transformácie.

Fázové prechody druhého, tretieho atď. rody súvisia s poradím tých derivátov termodynamického potenciálu Ф, ktoré zažívajú konečné zmeny v bode prechodu. Takáto klasifikácia fázových premien sa spája s prácou teoretického fyzika P. Ehrenfesta. V prípade fázového prechodu druhého rádu zažívajú deriváty druhého rádu skoky v bode prechodu: tepelná kapacita pri konštantnom tlaku Cp =, stlačiteľnosť , koeficient

koeficient tepelnej rozťažnosti, pričom

všetky deriváty zostávajú spojité. To znamená, že nedochádza k uvoľňovaniu (absorpcii) tepla a žiadnej zmene špecifického objemu.

Kvantová teória poľa sa začala používať na výpočty časticových systémov až v 70. rokoch. 20. storočie Systém bol uvažovaný ako mriežka s premenlivým krokom, čo umožňovalo meniť presnosť výpočtov a približovať sa k popisu reálneho systému a využívať počítač. Americký teoretický fyzik C. Wilson, ktorý použil novú metódu výpočtov, dosiahol kvalitatívny skok v chápaní fázových prechodov druhého rádu spojených s preskupením symetrie systému. V skutočnosti spojil kvantovú mechaniku so štatistikou a jeho práca dostala zásadný význam

mentálny význam. Sú použiteľné v procesoch spaľovania, v elektronike a pri popise kozmických javov a jadrových interakcií. Wilson skúmal širokú triedu kritických javov a vytvoril všeobecnú teóriu fázových prechodov druhého rádu.

Dôležitým odvetvím termodynamiky je štúdium premien medzi rôznymi fázami látky, pretože tieto procesy sa vyskytujú v praxi a majú zásadný význam pre predpovedanie správania sa systému za určitých podmienok. Tieto transformácie sa nazývajú fázové prechody, ktorým je venovaný článok.

Pojem fázy a systémového komponentu

Predtým, ako pristúpime k úvahám o fázových prechodoch vo fyzike, je potrebné definovať pojem samotnej fázy. Ako je známe z kurzu všeobecnej fyziky, existujú tri stavy hmoty: plynné, pevné a kvapalné. V špeciálnej časti vedy - v termodynamike - sú zákony formulované pre fázy hmoty, a nie pre ich stavy agregácie. Fázou sa rozumie určitý objem hmoty, ktorý má homogénnu štruktúru, vyznačuje sa špecifickými fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami a je oddelený od zvyšku hmoty hranicami, ktoré sa nazývajú interfázy.

Pojem „fáza“ teda nesie oveľa praktickejšie významnejšie informácie o vlastnostiach hmoty ako jej stav agregácie. Napríklad pevné skupenstvo kovu, akým je železo, môže byť v nasledujúcich fázach: nízkoteplotný magnetický telesom centrovaný kubický (BCC), nízkoteplotný nemagnetický bcc, plošne centrovaný kubický (fcc) a vysokoteplotný nemagnetický bcc.

V zákonoch termodynamiky sa okrem pojmu „fáza“ používa aj pojem „komponenty“, čo znamená počet chemických prvkov, ktoré tvoria konkrétny systém. To znamená, že fáza môže byť jednozložková (1 chemický prvok) aj viaczložková (niekoľko chemických prvkov).

Gibbsova veta a rovnováha medzi fázami systému

Na pochopenie fázových prechodov je potrebné poznať podmienky rovnováhy medzi nimi. Tieto podmienky možno matematicky získať riešením sústavy Gibbsových rovníc pre každú z nich za predpokladu, že rovnovážny stav sa dosiahne vtedy, keď sa celková Gibbsova energia systému izolovaného od vonkajších vplyvov prestane meniť.

V dôsledku riešenia tohto systému rovníc sa získajú podmienky pre existenciu rovnováhy medzi niekoľkými fázami: izolovaný systém sa prestane vyvíjať až vtedy, keď sa tlaky, chemické potenciály každej zložky a teploty vo všetkých fázach navzájom rovnajú.

Gibbsovo fázové pravidlo pre rovnováhu

Systém pozostávajúci z niekoľkých fáz a komponentov môže byť v rovnováhe nielen za určitých podmienok, napríklad pri určitej teplote a tlaku. Niektoré z premenných v Gibbsovej vete pre rovnováhu je možné meniť pri zachovaní počtu fáz aj počtu komponentov, ktoré sú v tejto rovnováhe. Počet premenných, ktoré je možné meniť bez narušenia rovnováhy v systéme, sa nazýva počet slobôd tohto systému.

Počet voľností l systému pozostávajúceho z f fáz a k komponentov je jednoznačne určený z Gibbsovho fázového pravidla. Toto pravidlo je matematicky napísané takto: l + f = k + 2. Ako s týmto pravidlom pracovať? Veľmi jednoduché. Napríklad je známe, že systém pozostáva z f=3 rovnovážnych fáz. Aký minimálny počet komponentov môže takýto systém obsahovať? Na otázku môžete odpovedať zdôvodnením takto: v prípade rovnováhy existujú najprísnejšie podmienky, keď sa realizujú iba pri určitých ukazovateľoch, to znamená, že zmena ktoréhokoľvek termodynamického parametra povedie k nerovnováhe. To znamená, že počet slobôd l=0. Nahradením známych hodnôt l a f dostaneme k = 1, to znamená, že systém, v ktorom sú tri fázy v rovnováhe, môže pozostávať z jednej zložky. Pozoruhodným príkladom je trojitý bod vody, keď ľad, kvapalná voda a para existujú v rovnováhe pri špecifických teplotách a tlakoch.

Klasifikácia fázových premien

Ak začnete meniť niektoré v systéme, ktorý je v rovnováhe, potom môžete pozorovať, ako jedna fáza zmizne a iná sa objaví. Jednoduchým príkladom tohto procesu je topenie ľadu pri jeho zahrievaní.

Vzhľadom na to, že Gibbsova rovnica závisí iba od dvoch premenných (tlaku a teploty) a fázový prechod zahŕňa zmenu týchto premenných, potom možno matematicky prechod medzi fázami opísať diferenciáciou Gibbsovej energie vzhľadom na jej premenné. Práve tento prístup použil rakúsky fyzik Paul Ehrenfest v roku 1933, keď zostavil klasifikáciu všetkých známych termodynamických procesov, ku ktorým dochádza pri zmene fázovej rovnováhy.

Zo základov termodynamiky vyplýva, že prvá derivácia Gibbsovej energie vzhľadom na teplotu sa rovná zmene entropie systému. Derivácia Gibbsovej energie vzhľadom na tlak sa rovná zmene objemu. Ak sa pri zmene fáz v systéme entropia alebo objem zlomí, čiže sa prudko zmenia, potom hovoríme o fázovom prechode prvého rádu.

Ďalej, druhými derivátmi Gibbsovej energie vzhľadom na teplotu a tlak sú tepelná kapacita a koeficient objemovej expanzie. Ak je transformácia medzi fázami sprevádzaná diskontinuitou v hodnotách uvedených fyzikálnych veličín, potom sa hovorí o fázovom prechode druhého rádu.

Príklady premien medzi fázami

V prírode existuje obrovské množstvo rôznych prechodov. V rámci tejto klasifikácie sú nápadnými príkladmi prechodov prvého druhu procesy tavenia kovov alebo kondenzácia vodnej pary zo vzduchu, keď v systéme dochádza k objemovému skoku.

Ak hovoríme o prechodoch druhého druhu, tak nápadnými príkladmi sú premena železa z magnetického do paramagnetického stavu pri teplote 768 °C alebo premena kovového vodiča do supravodivého stavu pri teplotách blízkych absolútnej nule.

Rovnice, ktoré opisujú prechody prvého druhu

V praxi je často potrebné vedieť, ako sa mení teplota, tlak a absorbovaná (uvoľňovaná) energia v systéme, keď v ňom dochádza k fázovým transformáciám. Na tento účel sa používajú dve dôležité rovnice. Získavajú sa na základe znalostí základov termodynamiky:

1. Clapeyronov vzorec, ktorý stanovuje vzťah medzi tlakom a teplotou počas transformácií medzi rôznymi fázami.
2. Clausiusov vzorec, ktorý dáva do vzťahu absorbovanú (uvoľnenú) energiu a teplotu systému počas transformácie.

Využitie oboch rovníc je nielen pri získavaní kvantitatívnych závislostí fyzikálnych veličín, ale aj pri určovaní znamienka sklonu rovnovážnych kriviek vo fázových diagramoch.

Rovnica na opis prechodov druhého druhu

Fázové prechody 1. a 2. druhu sú opísané rôznymi rovnicami, pretože použitie a Clausius pre prechody druhého druhu vedie k matematickej neistote.

Na jeho opis sa používajú Ehrenfestove rovnice, ktoré stanovujú vzťah medzi zmenami tlaku a teploty na základe znalosti zmeny tepelnej kapacity a koeficientu objemovej rozťažnosti počas transformačného procesu. Ehrenfestove rovnice sa používajú na opis prechodov vodič-supravodič v neprítomnosti magnetického poľa.

Význam fázových diagramov

Fázové diagramy sú grafickým znázornením oblastí, v ktorých existujú zodpovedajúce fázy v rovnováhe. Tieto oblasti sú oddelené rovnovážnymi čiarami medzi fázami. Často sa používajú osi P-T (tlak-teplota), T-V (teplota-objem) a P-V (tlak-objem).

Význam fázových diagramov spočíva v tom, že umožňujú predpovedať, v akej fáze sa systém bude nachádzať, keď sa podľa toho zmenia vonkajšie podmienky. Tieto informácie sa využívajú pri tepelnom spracovaní rôznych materiálov s cieľom získať štruktúru s požadovanými vlastnosťami.