27. Istraktura at katangian ng bakal; metastable at stable na iron-carbon phase diagram. Ang pagbuo ng istraktura ng mga carbon steel. Ang pagpapasiya ng nilalaman ng carbon sa bakal sa pamamagitan ng istraktura Ang mga haluang metal na bakal-carbon ay ang pinakakaraniwang metal

Panimula.

Ang mga phase ay tinatawag na homogenous na iba't ibang bahagi ng physico-chemical system. Ang isang sangkap ay homogenous kapag ang lahat ng mga parameter ng estado ng sangkap ay pareho sa lahat ng mga volume nito, ang mga sukat nito ay malaki kumpara sa mga interatomic na estado. Ang mga halo ng iba't ibang mga gas ay palaging bumubuo ng isang yugto kung sila ay nasa parehong konsentrasyon sa buong volume.

Ang parehong sangkap, depende sa mga panlabas na kondisyon, ay maaaring nasa isa sa tatlong estado ng pagsasama-sama - likido, solid o gas. Depende sa mga panlabas na kondisyon, maaari itong maging sa isang yugto, o sa ilang mga yugto nang sabay-sabay. Sa kalikasan sa paligid natin, madalas nating napapansin ang mga phase transition ng tubig. Halimbawa: evaporation, condensation. May mga kondisyon ng presyon at temperatura kung saan ang sangkap ay nasa equilibrium sa iba't ibang yugto. Halimbawa, kapag ang pagtunaw ng gas sa isang estado ng phase equilibrium, ang volume ay maaaring maging anuman, at ang temperatura ng paglipat ay nauugnay sa saturation vapor pressure. Ang mga temperatura kung saan nagaganap ang mga paglipat mula sa isang yugto patungo sa isa pa ay tinatawag na mga temperatura ng paglipat. Nakasalalay sila sa presyon, bagaman sa iba't ibang antas: ang punto ng pagkatunaw ay mas mahina, ang temperatura ng singaw at sublimation ay mas malakas. Sa normal at pare-pareho ang presyon, ang paglipat ay nangyayari sa isang tiyak na temperatura, at dito natutunaw, kumukulo at sublimation (o sublimation.) ay nagaganap. Ang sublimation ay ang paglipat ng isang sangkap mula sa isang solid hanggang sa isang gas na estado, na maaaring maobserbahan, halimbawa, sa mga shell ng cometary tails. Kapag malayo ang isang kometa sa araw, halos lahat ng masa nito ay puro sa nucleus nito, na may sukat na 10-12 kilometro. Ang nucleus na napapalibutan ng isang maliit na shell ng gas ay ang tinatawag na ulo ng isang kometa. Kapag papalapit sa Araw, ang core at shell ng kometa ay nagsisimulang uminit, ang posibilidad ng sublimation ay tumataas, at ang desublimation ay bumababa. Ang mga gas na tumatakas mula sa nucleus ng kometa ay sumasama sa mga solidong particle, ang ulo ng kometa ay tumataas sa dami at nagiging gas at maalikabok sa komposisyon.

Mga yugto ng paglipat ng una at pangalawang uri.

Ang mga phase transition ay may ilang uri. Ang mga pagbabago sa pinagsama-samang estado ng isang substance ay tinatawag na first-order phase transition kung:

1) Ang temperatura ay pare-pareho sa panahon ng buong paglipat.

2) Ang dami ng system ay nagbabago.

3) Ang entropy ng system ay nagbabago.

Para maganap ang naturang phase transition, kinakailangan para sa isang binigay na masa ng substance na mag-sheat ng isang tiyak na halaga ng init na tumutugma sa latent heat ng transformation. Sa katunayan, sa panahon ng paglipat ng condensed phase sa isang phase na may mas mababang density, ang isang tiyak na halaga ng enerhiya ay dapat ibigay sa anyo ng init, na pupunta upang sirain ang kristal na sala-sala (sa panahon ng pagtunaw) o upang alisin ang mga likidong molekula mula sa bawat isa. iba pa (sa panahon ng singaw). Sa panahon ng pagbabagong-anyo, ang nakatagong init ay pupunta sa pagbabagong-anyo ng mga magkakaugnay na puwersa, ang intensity ng thermal motion ay hindi magbabago, bilang isang resulta, ang temperatura ay mananatiling pare-pareho. Sa gayong paglipat, ang antas ng kaguluhan, at samakatuwid ang entropy, ay tumataas. Kung ang proseso ay napupunta sa kabaligtaran na direksyon, pagkatapos ay ang latent heat ay inilabas. Ang mga phase transition ng unang uri ay kinabibilangan ng: ang pagbabago ng isang solid sa isang likido (pagtunaw) at ang reverse na proseso (crystallization), likido sa singaw (pagsingaw, pagkulo). Isang mala-kristal na pagbabago - sa isa pa (polymorphic transformations). Ang mga phase transition ng pangalawang uri ay kinabibilangan ng: ang paglipat ng isang normal na conductor sa isang superconducting state, helium-1 sa superfluid helium-2, isang ferromagnet sa isang paramagnet. Ang mga metal tulad ng iron, cobalt, nickel at gadolinium ay namumukod-tangi para sa kanilang kakayahang maging mataas na magnetized at mapanatili ang isang estado ng magnetization sa mahabang panahon. Ang mga ito ay tinatawag na ferromagnets. Karamihan sa mga metal (alkali at alkaline earth metals at isang makabuluhang bahagi ng transition metals) ay mahinang na-magnet at hindi pinananatili ang estadong ito sa labas ng magnetic field - ito ay mga paramagnet. Ang mga phase transition ng ikalawa, ikatlo, at iba pa ay nauugnay sa pagkakasunud-sunod ng mga derivatives na iyon ng thermodynamic potential?f, na nakakaranas ng may hangganan na mga sukat sa transition point. Ang ganitong pag-uuri ng mga phase transformation ay nauugnay sa gawain ng theoretical physicist na si Paul Ernest (1880 -1933). Kaya, sa kaso ng isang phase transition ng pangalawang uri sa transition point, ang second-order derivatives ay nakakaranas ng mga jumps: heat capacity sa pare-pareho ang pressure ?p 2), thermal expansion coefficient b \u003d (1 / V 0) (? 2 f /? Tp), habang ang mga unang derivative ay nananatiling tuluy-tuloy. Nangangahulugan ito na walang release (absorption) ng init at walang pagbabago sa tiyak na volume (φ - thermodynamic potential).

Ang estado ng phase equilibrium ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang tiyak na ugnayan sa pagitan ng temperatura at presyon ng pagbabago ng phase. Sa bilang, ang pag-asa na ito para sa mga phase transition ay ibinibigay ng Clausius-Clapeyron equation: p/T=q/TV. Ang pananaliksik sa mababang temperatura ay isang napakahalagang sangay ng pisika. Ang katotohanan ay sa ganitong paraan posible na mapupuksa ang pagkagambala na nauugnay sa magulong thermal motion at pag-aralan ang mga phenomena sa isang "dalisay" na anyo. Ito ay lalong mahalaga sa pag-aaral ng quantum regularities. Kadalasan, dahil sa magulong thermal motion, ang isang pisikal na dami ay naa-average sa isang malaking bilang ng mga iba't ibang halaga nito, at ang mga quantum jump ay "napahid".

Mababang temperatura (mga cryogenic na temperatura), sa physics at cryogenic na teknolohiya, ang hanay ng temperatura ay mas mababa sa 120°K (0°C=273°K); ang gawain ni Carnot (nagtrabaho siya sa isang heat engine) at inilatag ni Clausius ang pundasyon para sa pananaliksik sa mga katangian ng mga gas at singaw, o teknikal na thermodynamics. Noong 1850, napansin ni Clausius na ang saturated water vapor ay bahagyang namumuo sa panahon ng pagpapalawak at nagiging sobrang init sa panahon ng compression. Gumawa ng espesyal na kontribusyon si Renu sa pag-unlad ng disiplinang pang-agham na ito. Ang intrinsic na dami ng mga molekula ng gas sa temperatura ng silid ay humigit-kumulang isang ikalibo ng volume na inookupahan ng gas. Bilang karagdagan, ang mga molekula ay naaakit sa isa't isa sa mga distansyang mas malaki kaysa sa kung saan nagsisimula ang kanilang pagtanggi.

Ang phase ay isang thermodynamically equilibrium state ng isang substance na naiiba sa pisikal na katangian mula sa iba pang posibleng equilibrium state ng parehong substance. Kung, halimbawa, mayroong tubig sa isang saradong sisidlan, kung gayon ang sistemang ito ay dalawang yugto: likidong bahagi - tubig; gaseous phase - isang pinaghalong hangin at singaw ng tubig. Kung ang mga piraso ng yelo ay itinapon sa tubig, ang sistemang ito ay magiging tatlong yugto, kung saan ang yelo ay isang solidong yugto. Kadalasan ang konsepto ng "phase" ay ginagamit sa kahulugan ng estado ng pagsasama-sama, ngunit dapat itong isipin na ito ay mas malawak kaysa sa konsepto ng "pinagsama-samang estado". Sa loob ng isang estado ng pagsasama-sama, ang isang sangkap ay maaaring nasa ilang mga yugto na naiiba sa kanilang mga katangian, komposisyon at istraktura (yelo, halimbawa, ay nangyayari sa limang magkakaibang mga pagbabago - mga yugto). Ang paglipat ng isang sangkap mula sa isang yugto patungo sa isa pa - isang yugto ng paglipat - ay palaging nauugnay sa mga pagbabago sa husay sa mga katangian ng sangkap. Ang isang halimbawa ng isang phase transition ay maaaring mga pagbabago sa pinagsama-samang estado ng isang substance o mga transition na nauugnay sa mga pagbabago sa komposisyon, istraktura at mga katangian ng isang substance (halimbawa, ang paglipat ng isang crystalline substance mula sa isang pagbabago patungo sa isa pa).

Mayroong dalawang uri ng mga phase transition. Ang isang phase transition ng unang uri (halimbawa, pagtunaw, pagkikristal, atbp.) ay sinamahan ng pagsipsip o pagpapalabas ng init, na tinatawag na init ng phase transition. Ang mga paglipat ng phase ng unang uri ay nailalarawan sa pamamagitan ng patuloy na temperatura, mga pagbabago sa entropy at dami. Ang isang paliwanag para dito ay maaaring ibigay bilang mga sumusunod. Halimbawa, sa panahon ng pagtunaw, ang isang tiyak na halaga ng init ay dapat ibigay sa katawan upang maging sanhi ng pagkasira ng kristal na sala-sala. Ang init na ibinibigay sa panahon ng pagtunaw ay hindi napupunta sa init ng katawan, ngunit upang masira ang mga interatomic na bono, kaya ang pagtunaw ay nagpapatuloy sa isang pare-parehong temperatura. Sa ganitong mga transition - mula sa isang mas nakaayos na mala-kristal na estado hanggang sa isang hindi gaanong order na likidong estado - ang antas ng disorder ay tumataas, ibig sabihin, ayon sa pangalawang batas ng thermodynamics, ang prosesong ito ay nauugnay sa isang pagtaas sa entropy ng system. Kung ang paglipat ay nangyayari sa kabaligtaran na direksyon (crystallization), pagkatapos ay ang system ay naglalabas ng init.

Ang mga phase transition na hindi nauugnay sa pagsipsip o pagpapalabas ng init at pagbabago sa volume ay tinatawag na phase transition ng pangalawang order. Ang mga paglipat na ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang pare-pareho ang dami at entropy, ngunit isang biglaang pagbabago sa kapasidad ng init. Ang pangkalahatang interpretasyon ng mga phase transition ng pangalawang uri ay iminungkahi ng Academician L. D. Landau (1908-1968). Ayon sa interpretasyong ito, ang mga second-order phase transition ay nauugnay sa isang pagbabago sa simetrya: sa itaas ng transition point, ang system, bilang panuntunan, ay may mas mataas na simetrya kaysa sa ibaba ng transition point. Ang mga halimbawa ng mga phase transition ng pangalawang uri ay: ang paglipat ng ferromagnetic substance (iron, nickel) sa tiyak na presyon at temperatura sa isang paramagnetic na estado; ang paglipat ng mga metal at ilang mga haluang metal sa isang temperatura na malapit sa 0 K sa isang superconducting na estado, na nailalarawan sa pamamagitan ng isang biglaang pagbaba sa electrical resistance sa zero; pagbabago ng ordinaryong likidong helium (helium I) sa T=2.9K tungo sa isa pang pagbabagong likido (helium II) na may mga katangian ng superfluidity.

Mga yugto- ito ay iba't ibang magkakatulad na bahagi ng physico-chemical system. Ang isang sangkap ay homogenous kapag ang lahat ng mga parameter ng estado ng sangkap ay pareho sa lahat ng elementarya na volume nito, ang mga sukat nito ay malaki kumpara sa mga interatomic na estado. Ang mga halo ng iba't ibang mga gas ay palaging bumubuo ng isang yugto kung sila ay nasa parehong konsentrasyon sa buong volume. Ang parehong sangkap, depende sa mga panlabas na kondisyon, ay maaaring nasa isa sa tatlong estado ng pagsasama-sama - likido, solid o gas. Ang mga phase ay mga matatag na estado ng isang tiyak na estado ng pagsasama-sama. Ang konsepto ng isang yugto ay mas malawak kaysa sa konsepto ng isang pinagsama-samang estado.

Depende sa mga panlabas na kondisyon, ang sistema ay maaaring nasa equilibrium alinman sa isang yugto o sa ilang mga yugto nang sabay-sabay. Ang kanilang ekwilibriyong pag-iral ay tinatawag balanse ng bahagi.

Pagsingaw at paghalay - madalas na sinusunod na phase transition ng tubig sa natural na kapaligiran. Kapag ang tubig ay pumasa sa singaw, ang pagsingaw ay unang nangyayari - ang paglipat ng ibabaw na layer ng likido sa singaw, habang ang pinakamabilis na molekula lamang ang pumasa sa singaw: dapat nilang pagtagumpayan ang pagkahumaling ng mga nakapaligid na molekula, samakatuwid ang kanilang average na kinetic energy at, nang naaayon, ang pagbaba ng temperatura ng likido. Naobserbahan sa pang-araw-araw na buhay at ang reverse na proseso - condensation. Ang parehong mga prosesong ito ay nakasalalay sa mga panlabas na kondisyon. Sa ilang mga kaso, ang isang dinamikong ekwilibriyo ay itinatag sa pagitan nila, kapag ang bilang ng mga molekula na umaalis sa likido ay naging katumbas ng bilang ng mga molekula na bumabalik dito. Ang mga molekula sa isang likido ay nakagapos ng mga kaakit-akit na puwersa na humahawak sa kanila sa loob ng likido. Kung ang mga molekula na may bilis na lumampas sa karaniwan ay malapit sa ibabaw, maaari nilang iwanan ito. Pagkatapos ang average na bilis ng natitirang mga molekula ay bababa at ang temperatura ng likido ay bababa. Para sa pagsingaw sa isang pare-parehong temperatura, ang isang tiyak na halaga ng init ay dapat ibigay sa likido: Q= rt, kung saan ang r ay ang tiyak na init ng singaw, na bumababa sa pagtaas ng temperatura. Sa temperatura ng silid, para sa isang molekula ng tubig, ang init ng singaw ay 10 -20 J, habang ang average na enerhiya ng thermal motion ay 6.06 10 -21 J. Nangangahulugan ito na

mga molekula na may enerhiya na 10 beses ang enerhiya ng thermal motion. Kapag dumadaan sa likidong ibabaw, ang potensyal na enerhiya ng isang mabilis na molekula ay tumataas, habang ang kinetic energy ay bumababa. Samakatuwid, ang average na kinetic energies ng singaw at likidong mga molekula sa thermal equilibrium ay pantay.

puspos na singaw - ito ay isang singaw sa dynamic na ekwilibriyo, na tumutugma sa isang naibigay na temperatura, kasama ang likido nito. Ipinakikita ng karanasan na hindi nito sinusunod ang batas ng Boyle-Mariotte, dahil ang presyon nito ay hindi nakadepende sa lakas ng tunog. Ang saturated vapor pressure ay ang pinakamataas na presyon na maaaring magkaroon ng singaw sa isang partikular na temperatura. Ang mga proseso ng evaporation at condensation ng tubig ay nagdudulot ng mga kumplikadong interaksyon sa pagitan ng atmospera at ng hydrosphere, na mahalaga para sa pagbuo ng panahon at klima. Mayroong tuluy-tuloy na pagpapalitan ng bagay (ikot ng tubig) at enerhiya sa pagitan ng atmospera at ng hydrosphere.

Ipinakita ng mga pag-aaral na humigit-kumulang 7,000 km 3 ng tubig ang sumingaw bawat araw mula sa ibabaw ng World Ocean, na bumubuo sa 94% ng hydrosphere ng daigdig, at halos kaparehong halaga ang bumabagsak sa anyo ng pag-ulan. Ang singaw ng tubig, na dinadala ng convection movement ng hangin, ay tumataas at pumapasok sa malamig na mga layer ng troposphere. Habang ito ay tumataas, ang singaw ay nagiging mas puspos, pagkatapos ay namumuo upang bumuo ng mga patak ng ulan. Sa proseso ng steam condensation sa troposphere, humigit-kumulang 1.6-10 22 J ng init ang inilalabas bawat araw, na sampu-sampung libong beses na mas malaki kaysa sa enerhiya na nabuo ng sangkatauhan sa parehong oras.

kumukulo- ang proseso ng paglipat ng isang likido sa singaw bilang isang resulta ng paglitaw ng mga bula na puno ng singaw. Ang pagkulo ay nangyayari sa buong volume. Ang pagkalagot ng mga bula sa ibabaw ng kumukulong likido ay nagpapahiwatig na ang presyon ng singaw sa kanila ay lumampas sa presyon sa itaas ng ibabaw ng likido. Sa temperatura na 100 °C, ang puspos na presyon ng singaw ay katumbas ng presyon ng hangin sa itaas ng ibabaw ng likido (ganito ang napiling puntong ito sa iskala). Sa taas na 5 km, ang presyon ng hangin ay kalahati ng mas maraming at ang tubig ay kumukulo doon sa 82 ° C, at sa hangganan ng troposphere (17 km) - sa humigit-kumulang 65 ° C. Samakatuwid, ang punto ng kumukulo ng isang likido ay tumutugma sa temperatura kung saan ang puspos na presyon ng singaw nito ay katumbas ng panlabas na presyon. Ang mahinang gravitational field ng Buwan (ang gravitational acceleration malapit sa ibabaw nito ay 1.7 m/s 2 lang) ay hindi kayang hawakan ang atmospera, at sa kawalan ng atmospheric pressure, ang likido ay agad kumukulo, kaya ang lunar na "dagat" ay walang tubig at nabuo sa pamamagitan ng solidified lava. Para sa parehong dahilan, ang mga "channel" ng Martian ay walang tubig din.

Ang isang sangkap ay maaaring nasa ekwilibriyo at sa iba't ibang yugto. Kaya, kapag ang pagtunaw ng gas sa isang estado ng phase equilibrium, ang dami ay maaaring maging anuman, at ang temperatura ng paglipat ay nauugnay sa presyon ng singaw ng saturation. Ang phase equilibrium curve ay maaaring makuha sa pamamagitan ng projecting papunta sa isang eroplano (p, t) mga lugar ng paglipat sa estado ng likido. Analytically, ang equilibrium curve ng dalawang phase ay tinutukoy mula sa solusyon ng Clausius-Clapeyron differential equation. Katulad nito, posibleng makakuha ng mga melting at sublimation curves, na konektado sa isang punto ng eroplano. (R, D), sa triple point (tingnan ang Fig. 7.1), kung saan sa ilang mga proporsyon sila ay nasa pantay

lahat ng tatlong yugto. Ang triple point ng tubig ay tumutugma sa isang presyon ng 569.24 Pa at isang temperatura ng -0.0075 °C; carbon dioxide - 5.18 10 5 Pa at 56.6 ° C, ayon sa pagkakabanggit. Samakatuwid, sa presyon ng atmospera R, katumbas ng 101.3 kPa, ang carbon dioxide ay maaaring nasa solid o gas na estado. Sa kritikal na temperatura, ang mga pisikal na katangian ng likido at singaw ay nagiging pareho. Sa mga temperatura sa itaas ng kritikal na punto, ang sangkap ay maaari lamang nasa gas na estado. Para sa tubig - T= 374.2 °С, R= 22.12 MPa; para sa murang luntian - 144 ° C at 7.71 MPa, ayon sa pagkakabanggit.

Ang mga temperatura ng paglipat ay ang mga temperatura kung saan nagaganap ang mga paglipat mula sa isang yugto patungo sa isa pa. Nakasalalay sila sa presyon, bagaman sa iba't ibang antas: ang punto ng pagkatunaw ay mas mahina, ang mga temperatura ng singaw at sublimation ay mas malakas. Sa normal at pare-pareho ang mga presyon, ang paglipat ay nangyayari sa isang tiyak na halaga ng temperatura, at dito natutunaw, kumukulo at sublimation (o sublimation) na mga punto ay nagaganap.

Ang paglipat ng bagay mula sa isang solidong estado nang direkta sa isang gas na estado ay maaaring maobserbahan, halimbawa, sa mga shell ng cometary tails. Kapag ang isang kometa ay malayo sa Araw, halos lahat ng masa nito ay puro sa nucleus nito, na may sukat na 10-12 km. Ang nucleus ay napapalibutan ng isang maliit na shell ng gas - ito ang ulo ng kometa. Kapag papalapit sa Araw, ang nucleus at shell ng kometa ay nagsisimulang uminit, ang posibilidad ng sublimation ay tumataas, at ang desublimation (ang reverse na proseso) ay bumababa. Ang mga gas na tumatakas mula sa nucleus ng kometa ay nagdadala ng mga solidong particle, ang ulo ng kometa ay tumataas sa volume at nagiging gas at alikabok sa komposisyon. Ang presyon ng cometary nucleus ay napakababa, kaya ang likidong bahagi ay hindi nangyayari. Kasama ng ulo, lumalaki din ang buntot ng kometa, na umaabot palayo sa Araw. Sa ilang mga kometa umabot ito ng daan-daang milyong kilometro sa perihelion, ngunit ang mga densidad sa bagay ng kometa ay bale-wala. Sa bawat paglapit sa Araw, ang mga kometa ay nawawala ang karamihan sa kanilang masa, parami nang parami ang mga pabagu-bagong substance na nag-sublimate sa nucleus, at unti-unti itong nadudurog sa mga meteor body na bumubuo ng mga meteor shower. Sa loob ng 5 bilyong taon ng pagkakaroon ng solar system, maraming mga kometa ang nagtapos sa kanilang pag-iral sa ganitong paraan.

Noong tagsibol ng 1986, ang mga awtomatikong istasyon ng Sobyet na "Vega-1" at "Vega-2" ay ipinadala sa kalawakan upang pag-aralan ang kometa ni Halley, na dumaan sa layo na 9000 at 8200 km mula dito, ayon sa pagkakabanggit, at ang istasyon ng NASA na "Giotto " - sa layong 600 km lamang mula sa nucleus ng kometa. Ang core ay 14 x 7.5 km ang laki, madilim ang kulay at humigit-kumulang 400 K ang temperatura. Nang dumaan ang mga istasyon ng kalawakan sa ulo ng kometa, humigit-kumulang 40,000 kg ng nagyeyelong bagay ang nag-sublimate sa loob ng 1 s.

Sa huling bahagi ng taglagas, kapag ang isang matalim na malamig na snap ay pumapasok pagkatapos ng basang panahon, ang isa ay makakakita sa mga sanga ng mga puno at sa mga wire.

frost ay desublimated ice crystals. Ang isang katulad na kababalaghan ay ginagamit kapag nag-iimbak ng ice cream, kapag ang carbon dioxide ay pinalamig, habang ang mga molecule na dumadaan sa singaw ay nagdadala ng enerhiya. Sa Mars, ang phenomena ng sublimation at desublimation ng carbon dioxide sa polar caps ay gumaganap ng parehong papel bilang evaporation - condensation sa atmospera at hydrosphere ng Earth.

Ang kapasidad ng init ay may posibilidad na maging zero sa mga ultralow na temperatura, gaya ng itinatag ni Nernst. Mula dito, ipinakita ni Planck na malapit sa absolute zero, ang lahat ng mga proseso ay nagpapatuloy nang walang pagbabago sa entropy. Ang teorya ni Einstein ng kapasidad ng init ng mga solido sa mababang temperatura ay naging posible na bumalangkas ng resulta ni Nernst bilang ikatlong batas ng thermodynamics. Ang mga hindi pangkaraniwang katangian ng mga sangkap na naobserbahan sa mababang temperatura - superfluidity at superconductivity - ay ipinaliwanag sa modernong teorya bilang macroscopic quantum effect.

Ang mga phase transition ay may ilang uri. Sa panahon ng isang phase transition, ang temperatura ay hindi nagbabago, ngunit ang dami ng system ay nagbabago.

Mga yugto ng paglipat ng unang uri ang mga pagbabago sa pinagsama-samang estado ng isang sangkap ay tinatawag kung: ang temperatura ay pare-pareho sa buong paglipat; ang dami ng system ay nagbabago; nagbabago ang entropy ng system. Para mangyari ang naturang phase transition, ang isang tiyak na halaga ng init ay dapat ibigay sa isang naibigay na mass ng substance, na tumutugma sa latent heat ng transformation.

Sa katunayan, sa panahon ng paglipat mula sa isang mas condensed phase patungo sa isang phase na may mas mababang density, ang isang tiyak na halaga ng enerhiya ay dapat na ibigay sa anyo ng init, na pupunta upang sirain ang kristal na sala-sala (sa panahon ng pagtunaw) o upang alisin ang mga likidong molekula mula sa bawat isa (sa panahon ng singaw). Sa panahon ng pagbabagong-anyo, ang nakatagong init ay ginugol upang mapagtagumpayan ang mga magkakaugnay na puwersa, ang intensity ng thermal motion ay hindi nagbabago, bilang isang resulta, ang temperatura ay nananatiling pare-pareho. Sa gayong paglipat, ang antas ng kaguluhan, at samakatuwid ang entropy, ay tumataas. Kung ang proseso ay napupunta sa kabaligtaran na direksyon, pagkatapos ay ang latent heat ay inilabas.

Mga phase transition ng pangalawang uri nauugnay sa isang pagbabago sa simetrya ng system: sa itaas ng transition point, ang system, bilang panuntunan, ay may mas mataas na simetrya, tulad ng ipinakita ng L.D. Landau noong 1937. Halimbawa, sa isang magnet, ang mga spin moment sa itaas ng transition point ay random na naka-orient, at ang sabay-sabay na pag-ikot ng lahat ng mga spin sa paligid ng parehong axis sa parehong anggulo ay hindi nagbabago sa mga katangian ng system. Sa ibaba ng mga transition point, ang mga spin ay may ilang preferential orientation, at ang kanilang sabay-sabay na pag-ikot ay nagbabago sa direksyon ng magnetic moment ng system. Ipinakilala ng Landau ang kadahilanan ng pag-order at pinalawak ang potensyal na thermodynamic sa punto ng paglipat sa mga kapangyarihan ng koepisyent na ito, batay sa kung saan siya ay bumuo ng isang pag-uuri ng lahat ng posibleng uri ng mga transition.

Dov, pati na rin ang teorya ng mga phenomena ng superfluidity at superconductivity. Sa batayan na ito, isinasaalang-alang ng Landau at Lifshitz ang maraming mahahalagang problema - ang paglipat ng isang ferroelectric sa isang paraelectric, isang ferromagnet sa isang paramagnet, pagsipsip ng tunog sa punto ng paglipat, ang paglipat ng mga metal at haluang metal sa superconducting state, atbp.

Ang pagkalkula ng mga thermodynamic na katangian ng isang sistema batay sa statistical mechanics ay nagsasangkot ng pagpili ng isang partikular na modelo ng system, at kung mas kumplikado ang system, mas simple ang modelo. Iminungkahi ni E. Ising ang isang modelo ng isang ferromagnet (1925) at nalutas ang problema ng isang one-dimensional na kadena, na isinasaalang-alang ang pakikipag-ugnayan sa pinakamalapit na kapitbahay para sa anumang mga patlang at temperatura. Sa matematikal na paglalarawan ng mga naturang sistema ng mga particle na may matinding pakikipag-ugnayan, isang pinasimple na modelo ang pipiliin, kapag ang pares-type na pakikipag-ugnayan lamang ang nagaganap (ang naturang dalawang-dimensional na modelo ay tinatawag na Ising lattice). Ngunit ang mga phase transition ay hindi palaging kinakalkula, marahil dahil sa ilang hindi natukoy na mga phenomena na karaniwan sa mga sistema ng maraming mga particle, at ang likas na katangian ng mga particle mismo (mga likidong particle o magnet) ay hindi mahalaga. L. Onsager ay nagbigay ng eksaktong solusyon para sa dalawang-dimensional na modelo ng Ising (1944). Naglagay siya ng mga dipole sa mga node ng sala-sala, na maaaring i-orient ang kanilang mga sarili sa dalawang paraan lamang, at ang bawat naturang dipole ay maaari lamang makipag-ugnayan sa kapitbahay nito. Ito ay lumabas na sa transition point, ang kapasidad ng init ay napupunta sa infinity ayon sa logarithmic law na simetriko sa magkabilang panig ng transition point. Nang maglaon, napag-alaman na ang konklusyong ito ay napakahalaga para sa lahat ng mga paglipat ng second-order phase. Ipinakita ng trabaho ni Onsager na ginagawang posible ng paraan ng statistical mechanics na makakuha ng mga bagong resulta para sa mga pagbabagong bahagi.

Mga yugto ng paglipat ng pangalawa, pangatlo, atbp. genera ay nauugnay sa pagkakasunud-sunod ng mga derivatives ng thermodynamic potensyal na Ф, na nakakaranas ng mga may hangganang pagbabago sa transition point. Ang ganitong pag-uuri ng mga pagbabago sa yugto ay nauugnay sa gawain ng teoretikal na pisisista na si P. Ehrenfest. Sa kaso ng second-order phase transition, tumalon ang second-order derivatives na karanasan sa transition point: heat capacity sa pare-parehong pressure C p =, compressibility , koepisyent

thermal expansion coefficient, habang per-

lahat ng derivatives ay nananatiling tuluy-tuloy. Nangangahulugan ito na walang paglabas (absorption) ng init at walang pagbabago sa tiyak na volume.

Ang quantum field theory ay nagsimulang gamitin para sa mga kalkulasyon ng mga particle system lamang noong 70s. ika-20 siglo Ang sistema ay itinuturing bilang isang sala-sala na may variable na hakbang, na naging posible upang baguhin ang katumpakan ng mga kalkulasyon at lapitan ang paglalarawan ng isang tunay na sistema at gumamit ng isang computer. Ang American theoretical physicist na si C. Wilson, na naglapat ng bagong paraan ng mga kalkulasyon, ay nakatanggap ng qualitative leap sa pag-unawa sa second-order phase transition na nauugnay sa muling pagsasaayos ng simetrya ng system. Sa katunayan, ikinonekta niya ang quantum mechanics sa istatistika, at ang kanyang trabaho ay nakatanggap ng pundamental

kahulugan ng kaisipan. Naaangkop ang mga ito sa mga proseso ng combustion, at sa electronics, at sa paglalarawan ng cosmic phenomena at nuclear interaction. Inimbestigahan ni Wilson ang isang malawak na klase ng mga kritikal na phenomena at lumikha ng pangkalahatang teorya ng mga pagbabago sa second-order phase.

Ang isang mahalagang sangay ng thermodynamics ay ang pag-aaral ng mga pagbabagong-anyo sa pagitan ng iba't ibang mga yugto ng isang substansiya, dahil ang mga prosesong ito ay nangyayari sa pagsasanay at may pangunahing kahalagahan para sa paghula ng pag-uugali ng isang sistema sa ilalim ng ilang mga kundisyon. Ang mga pagbabagong ito ay tinatawag na mga phase transition, kung saan nakatuon ang artikulo.

Ang konsepto ng isang bahagi at isang bahagi ng system

Bago magpatuloy sa pagsasaalang-alang ng mga phase transition sa pisika, kinakailangan upang tukuyin ang konsepto ng phase mismo. Tulad ng nalalaman mula sa kurso ng pangkalahatang pisika, mayroong tatlong estado ng bagay: gas, solid at likido. Sa isang espesyal na seksyon ng agham - sa thermodynamics - ang mga batas ay binuo para sa mga yugto ng bagay, at hindi para sa kanilang mga estado ng pagsasama-sama. Ang isang yugto ay nauunawaan bilang isang tiyak na dami ng bagay na may homogenous na istraktura, ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga tiyak na pisikal at kemikal na mga katangian at pinaghihiwalay mula sa natitirang bahagi ng bagay sa pamamagitan ng mga hangganan, na tinatawag na interphase.

Kaya, ang konsepto ng "phase" ay nagdadala ng mas praktikal na makabuluhang impormasyon tungkol sa mga katangian ng bagay kaysa sa estado ng pagsasama-sama nito. Halimbawa, ang solid state ng isang metal gaya ng bakal ay maaaring nasa mga sumusunod na yugto: low temperature magnetic body centered cubic (BCC), low temperature nonmagnetic bcc, face centered cubic (fcc), at high temperature nonmagnetic bcc.

Bilang karagdagan sa konsepto ng "phase", ginagamit din ng mga batas ng thermodynamics ang terminong "mga sangkap", na nangangahulugang ang bilang ng mga elemento ng kemikal na bumubuo sa isang partikular na sistema. Nangangahulugan ito na ang bahagi ay maaaring parehong monocomponent (1 elemento ng kemikal) at multicomponent (maraming elemento ng kemikal).

Gibbs' theorem at equilibrium sa pagitan ng mga phase ng isang system

Upang maunawaan ang mga phase transition, kinakailangang malaman ang mga kondisyon ng ekwilibriyo sa pagitan nila. Ang mga kundisyong ito ay maaaring mathematically makuha sa pamamagitan ng paglutas ng sistema ng mga equation ng Gibbs para sa bawat isa sa kanila, sa pag-aakalang ang estado ng balanse ay naabot kapag ang kabuuang enerhiya ng Gibbs ng sistema na nakahiwalay sa panlabas na impluwensya ay tumigil sa pagbabago.

Bilang resulta ng paglutas ng sistemang ito ng mga equation, ang mga kondisyon ay nakuha para sa pagkakaroon ng ekwilibriyo sa pagitan ng ilang mga yugto: ang isang nakahiwalay na sistema ay titigil lamang sa pag-evolve kapag ang mga presyon, mga potensyal na kemikal ng bawat bahagi at mga temperatura sa lahat ng mga yugto ay pantay sa bawat isa.

Gibbs phase rule para sa equilibrium

Ang isang sistema na binubuo ng ilang mga phase at mga bahagi ay maaaring nasa ekwilibriyo hindi lamang sa ilalim ng ilang mga kundisyon, halimbawa, sa isang tiyak na temperatura at presyon. Ang ilan sa mga variable sa Gibbs theorem para sa equilibrium ay maaaring baguhin habang pinapanatili ang parehong bilang ng mga phase at ang bilang ng mga bahagi na nasa ekwilibriyong ito. Ang bilang ng mga variable na maaaring baguhin nang hindi nakakagambala sa ekwilibriyo sa sistema ay tinatawag na bilang ng mga kalayaan ng sistemang ito.

Ang bilang ng mga kalayaan l ng isang system na binubuo ng mga f phase at k na bahagi ay natatanging tinutukoy mula sa Gibbs phase rule. Ang panuntunang ito ay nakasulat sa matematika tulad ng sumusunod: l + f = k + 2. Paano gamitin ang panuntunang ito? Napakasimple. Halimbawa, alam na ang sistema ay binubuo ng f=3 equilibrium phase. Ano ang pinakamababang bilang ng mga sangkap na maaaring maglaman ng naturang sistema? Maaari mong sagutin ang tanong sa pamamagitan ng pangangatwiran tulad ng sumusunod: sa kaso ng equilibrium, ang pinaka mahigpit na mga kondisyon ay umiiral kapag ito ay natanto lamang sa ilang mga tagapagpahiwatig, iyon ay, ang isang pagbabago sa anumang thermodynamic parameter ay hahantong sa kawalan ng timbang. Nangangahulugan ito na ang bilang ng mga kalayaan l=0. Ang pagpapalit ng mga kilalang halaga ng l at f, nakukuha namin ang k=1, iyon ay, ang isang sistema kung saan ang tatlong mga yugto ay nasa balanse ay maaaring binubuo ng isang bahagi. Ang isang kapansin-pansing halimbawa ay ang triple point ng tubig, kapag ang yelo, likidong tubig at singaw ay umiiral sa equilibrium sa mga tiyak na temperatura at presyon.

Pag-uuri ng mga pagbabagong bahagi

Kung sisimulan mong baguhin ang ilan sa isang sistema na nasa ekwilibriyo, maaari mong obserbahan kung paano mawawala ang isang yugto, at lilitaw ang isa pa. Ang isang simpleng halimbawa ng prosesong ito ay ang pagtunaw ng yelo kapag ito ay pinainit.

Dahil ang equation ng Gibbs ay nakasalalay lamang sa dalawang variable (presyon at temperatura), at ang isang phase transition ay nagsasangkot ng pagbabago sa mga variable na ito, pagkatapos ay mathematically ang paglipat sa pagitan ng mga phase ay maaaring ilarawan sa pamamagitan ng pagkakaiba-iba ng enerhiya ng Gibbs na may paggalang sa mga variable nito. Ito ang pamamaraang ito na ginamit ng Austrian physicist na si Paul Ehrenfest noong 1933, nang siya ay nag-compile ng isang klasipikasyon ng lahat ng kilalang thermodynamic na proseso na nangyayari sa isang pagbabago sa phase equilibrium.

Ito ay sumusunod mula sa mga pangunahing kaalaman ng thermodynamics na ang unang derivative ng enerhiya ng Gibbs na may paggalang sa temperatura ay katumbas ng pagbabago sa entropy ng system. Ang derivative ng Gibbs energy na may kinalaman sa pressure ay katumbas ng pagbabago sa volume. Kung, kapag nagbago ang mga phase sa system, ang entropy o volume ay naghihirap, iyon ay, nagbabago sila nang husto, pagkatapos ay nagsasalita sila ng isang first-order phase transition.

Dagdag pa, ang pangalawang derivatives ng enerhiya ng Gibbs na may paggalang sa temperatura at presyon ay ang kapasidad ng init at ang koepisyent ng volumetric expansion, ayon sa pagkakabanggit. Kung ang pagbabago sa pagitan ng mga phase ay sinamahan ng isang discontinuity sa mga halaga ng ipinahiwatig na mga pisikal na dami, kung gayon ang isa ay nagsasalita ng isang pangalawang-order na yugto ng paglipat.

Mga halimbawa ng pagbabago sa pagitan ng mga yugto

Mayroong isang malaking bilang ng iba't ibang mga transition sa kalikasan. Sa loob ng balangkas ng pag-uuri na ito, ang mga kapansin-pansing halimbawa ng mga transition ng unang uri ay ang mga proseso ng pagtunaw ng mga metal o ang paghalay ng singaw ng tubig mula sa hangin, kapag may tumalon sa dami sa system.

Kung pinag-uusapan natin ang tungkol sa mga paglipat ng pangalawang uri, kung gayon ang mga kapansin-pansin na halimbawa ay ang pagbabagong-anyo ng bakal mula sa isang magnetic hanggang sa isang paramagnetic na estado sa temperatura na 768 ºC o ang pagbabagong-anyo ng isang metal na konduktor sa isang superconducting na estado sa mga temperatura na malapit sa ganap na zero.

Mga equation na naglalarawan ng mga transition ng unang uri

Sa pagsasagawa, madalas na kailangang malaman kung paano nagbabago ang temperatura, presyon, at hinihigop (pinakawalan) na enerhiya sa isang sistema kapag naganap ang mga pagbabagong bahagi nito. Dalawang mahalagang equation ang ginagamit para sa layuning ito. Ang mga ito ay nakuha batay sa kaalaman sa mga pangunahing kaalaman ng thermodynamics:

1. Ang formula ng Clapeyron, na nagtatatag ng ugnayan sa pagitan ng presyon at temperatura sa panahon ng mga pagbabago sa pagitan ng iba't ibang yugto.
2. Ang formula ng Clausius, na nag-uugnay sa hinihigop (pinakawalan) na enerhiya at ang temperatura ng system sa panahon ng pagbabago.

Ang paggamit ng parehong mga equation ay hindi lamang sa pagkuha ng quantitative dependences ng mga pisikal na dami, kundi pati na rin sa pagtukoy ng sign ng slope ng equilibrium curves sa mga phase diagram.

Equation para sa paglalarawan ng mga transition ng pangalawang uri

Ang mga phase transition ng 1st at 2nd kind ay inilalarawan ng magkakaibang equation, dahil ang paggamit ng at Clausius para sa mga transition ng pangalawang uri ay humahantong sa mathematical uncertainty.

Upang ilarawan ang huli, ginagamit ang mga equation ng Ehrenfest, na nagtatag ng isang relasyon sa pagitan ng mga pagbabago sa presyon at temperatura sa pamamagitan ng kaalaman sa pagbabago sa kapasidad ng init at ang koepisyent ng volumetric expansion sa panahon ng proseso ng pagbabago. Ang Ehrenfest equation ay ginagamit upang ilarawan ang conductor-superconductor transition sa kawalan ng magnetic field.

Kahalagahan ng mga phase diagram

Ang mga phase diagram ay isang graphic na representasyon ng mga lugar kung saan ang mga kaukulang yugto ay umiiral sa ekwilibriyo. Ang mga lugar na ito ay pinaghihiwalay ng mga linya ng ekwilibriyo sa pagitan ng mga yugto. Kadalasang ginagamit ang mga P-T (pressure-temperature), T-V (temperatura-volume) at P-V (pressure-volume).

Ang kahalagahan ng mga phase diagram ay nakasalalay sa katotohanan na pinapayagan ka nitong hulaan kung anong yugto ang magiging bahagi ng system kapag nagbabago ang mga panlabas na kondisyon nang naaayon. Ang impormasyong ito ay ginagamit sa paggamot ng init ng iba't ibang mga materyales upang makakuha ng isang istraktura na may ninanais na mga katangian.