Faz geçişi. Faz dönüşümleri

Sıvıdan geçişleri düşündük ve gaz hali katıya, yani kristalleşme ve ters geçişler - erime ve süblimleşme. Daha önce ch. VII Sıvının buhara geçişi - buharlaşma ve ters geçiş - yoğuşma ile tanıştık. Tüm bu faz geçişleri (dönüşümler) ile vücut formdaki enerjiyi ya serbest bırakır ya da emer. gizli ısı karşılık gelen geçiş (füzyon ısısı, buharlaşma ısısı, vb.).

Yoğunluk gibi enerjide veya enerjiyle ilişkili diğer niceliklerde bir sıçramanın eşlik ettiği faz geçişlerine birinci dereceden faz geçişleri denir.

İçin faz geçişleri Birinci tür, maddelerin özelliklerinde ani, yani çok dar bir sıcaklık aralığında meydana gelen değişiklik ile karakterize edilir. Bu nedenle belirli bir geçiş sıcaklığından veya geçiş noktasından söz edilebilir: kaynama noktası, erime noktası ve

Faz geçişlerinin sıcaklıkları harici bir parametreye bağlıdır - belirli bir sıcaklıktaki basınç, geçişin meydana geldiği fazların dengesi iyi tanımlanmış bir basınçta kurulur. Faz denge çizgisi, bildiğimiz Clausius-Clapeyron denklemi ile tanımlanır:

Molar geçiş ısısı nerede ve her iki fazın molar hacimleri.

Birinci mertebenin faz geçişleri sırasında, tüm ciltte hemen yeni bir faz ortaya çıkmaz. İlk olarak, yeni bir fazın çekirdekleri oluşur, daha sonra büyür ve tüm hacme yayılır.

Sıvı yoğuşma sürecini göz önünde bulundurduğumuzda çekirdek oluşum süreci ile tanıştık. Yoğuşma, toz taneleri, iyonlar vb. şeklinde yoğunlaşma merkezlerinin (çekirdekler) varlığını gerektirir. Aynı şekilde bir sıvının katılaşması da kristalleşme merkezleri gerektirir. Bu tür merkezlerin yokluğunda, buhar veya sıvı aşırı soğutulmuş durumda olabilir. Örneğin, bir sıcaklıkta uzun süre saf suyu gözlemlemek mümkündür.

Bununla birlikte, kristal kafesteki sürekli bir değişimin bir sonucu olarak dönüşümün tüm hacimde hemen meydana geldiği faz geçişleri vardır, yani. göreceli konum kafes içindeki parçacıklar. Bu, belirli bir sıcaklıkta kafesin simetrisinin değişmesine, örneğin düşük simetriye sahip bir kafesin daha yüksek simetriye sahip bir kafese geçmesine neden olabilir. Bu sıcaklık, bu durumda ikinci dereceden faz geçişi olarak adlandırılan faz geçişinin noktası olacaktır. Ferromanyetlerde ikinci dereceden faz geçişini keşfeden Pierre Curie'den sonra, ikinci dereceden bir faz geçişinin meydana geldiği sıcaklığa Curie noktası denir.

Geçiş noktasında böyle sürekli bir durum değişikliği ile, geçiş tüm hacimde hemen gerçekleştiğinden, iki farklı fazın dengesi olmayacaktır. Bu nedenle, geçiş noktasında iç enerji II'de bir sıçrama yoktur. Sonuç olarak, böyle bir geçişe, geçişin gizli ısısının salınması veya emilmesi eşlik etmez. Ancak geçiş noktasının altındaki ve üstündeki sıcaklıklarda madde farklı kristal modifikasyonlarda olduğundan, farklı ısı kapasitelerine sahiptirler. Bu, faz geçiş noktasında ısı kapasitesinin, yani iç enerjinin sıcaklığa göre türevinin aniden değiştiği anlamına gelir.

Hacimsel genişleme katsayısı da aniden değişir, ancak geçiş noktasındaki hacmin kendisi değişmez.

Durumdaki sürekli bir değişikliğin bir değişiklik anlamına gelmediği ikinci tür faz geçişleri bilinmektedir. kristal yapı, ancak durumun tüm ciltte aynı anda değiştiği. Bu türün en iyi bilinen geçişleri, bir maddenin ferromanyetik halden ferromanyetik olmayan bir duruma geçişi olup, Curie noktası olarak adlandırılan bir sıcaklıkta meydana gelir; bazı metallerin normalden süperiletken duruma geçişi, elektrik direnci. Her iki durumda da geçiş noktasında kristalin yapısında hiçbir değişiklik olmaz, ancak her iki durumda da durum tüm hacim boyunca sürekli ve aynı anda değişir. İkinci türden bir geçiş aynı zamanda sıvı helyumun He I durumundan He II durumuna geçişidir. Tüm bu durumlarda, geçiş noktasında ısı kapasitesinde bir sıçrama gözlenir. (Bununla bağlantılı olarak, ikinci dereceden faz geçişinin sıcaklığının ikinci bir adı vardır: bu noktadaki ısı kapasitesindeki değişim eğrisinin doğasına göre buna -nokta denir; bu zaten § 118'de belirtilmişti. , sıvı helyum ile ilgili metinde.)

Şimdi faz geçişlerinin nasıl gerçekleştiğini biraz daha ayrıntılı olarak analiz edelim. Faz dönüşümlerinde dalgalanmalar ana rolü oynar fiziksel özellikler. Neden sorusunu tartışırken onlarla zaten tanıştık kahverengi hareket bir sıvı içinde asılı kalan katı parçacıklar (§ .7).

Dalgalanmalar - enerjide, yoğunlukta ve bunlarla ilişkili diğer miktarlarda rastgele değişiklikler - her zaman mevcuttur. Ancak faz geçiş noktasından uzakta, çok küçük hacimlerde ortaya çıkarlar ve hemen tekrar çözülürler. Maddedeki sıcaklık ve basınç kritik seviyeye yaklaştığında, dalgalanmanın kapsadığı hacimde yeni bir fazın ortaya çıkması mümkün olur. Birinci ve ikinci dereceden faz geçişleri arasındaki tüm fark, geçiş noktası yakınındaki dalgalanmaların farklı şekilde gelişmesi gerçeğinde yatmaktadır.

Birinci dereceden bir geçişte, eski fazın içinde çekirdek şeklinde yeni bir fazın ortaya çıktığı yukarıda zaten söylenmişti. Görünüşlerinin nedeni, enerji ve yoğunluktaki rastgele dalgalanmalardır. Geçiş noktasına yaklaştıkça, yeni bir faza yol açan dalgalanmalar daha sık meydana gelir ve her dalgalanma çok küçük bir hacmi kapsamasına rağmen, bir yoğuşma merkezi varsa, birlikte yeni bir fazın makroskopik çekirdeğinin ortaya çıkmasına neden olabilir. onların oluşum yerinde.

İkinci türden bir geçiş durumunda, durum çok daha karmaşıktır. Yeni faz tüm ciltte aynı anda göründüğünden, sıradan mikroskobik dalgalanmalar kendi başlarına bir faz geçişine yol açamazlar. Karakterleri önemli ölçüde değişir. Kritik sıcaklığa yaklaştıkça, yeni bir faza geçişi "hazırlayan" dalgalanmalar maddenin artan bir bölümünü kaplar ve son olarak geçiş noktasında sonsuz hale gelir,

yani, boyunca meydana gelirler. Geçiş noktasının altında, zaten yeni bir aşama oluşturulduğunda, tekrar bozulmaya başlarlar ve yavaş yavaş tekrar kısa menzilli ve kısa ömürlü hale gelirler.

İkinci dereceden bir faz geçişi her zaman sistemin simetrisindeki bir değişiklikle ilişkilidir; yeni bir fazda, ya orijinalinde olmayan bir düzen ortaya çıkar (örneğin, bireysel parçacıkların manyetik momentleri, geçiş sırasında sıralanır). bir ferromanyetik durum) veya halihazırda var olan bir düzen değişiklikleri (kristal yapısında bir değişiklik olan geçişler sırasında).

Bu yeni düzen, faz geçiş noktasına yakın dalgalanmalarda da bulunur.

Tanımlanan geçiş mekanizmasının açık bir açıklaması, iyi bilinen "bakan kalabalık etkisi"dir (Şekil 185). Yoldan geçenlerin kaldırım boyunca yürüdüğünü ve en rastgele yönlere baktığını hayal edelim. Bu, hiçbir düzenin olmadığı sokak kalabalığının "normal" halidir. Şimdi yoldan geçenlerden biri görünürde bir sebep olmaksızın ikinci kattaki boş bir pencereye baksın ("rastgele dalgalanma"). yavaş yavaş her şey daha fazla insanların çoğu aynı pencereden dışarı bakmaya başlar ve sonunda tüm gözler bir noktaya çevrilir. “Düzenli” bir aşama ortaya çıktı, ancak hiçbir şey yok. dış kuvvetler düzenin kurulmasına katkıda bulunmak - ikinci kattaki pencerenin dışında hiçbir şey olmaz

İkinci türden faz geçişleri çok karmaşık ve ilginç bir olgudur. Geçiş noktasının hemen yakınında meydana gelen süreçler henüz tam olarak araştırılmamıştır ve fiziksel niceliklerin sonsuz dalgalanma koşulları altındaki davranışının tam bir resmi hala oluşturulmaktadır.

Maddenin bir halden diğerine geçişi doğada çok sık görülen bir olaydır. Su ısıtıcısında kaynayan su, kışın nehirlerin donması, metallerin erimesi, gazların sıvılaşması, ısıtıldığında ferritlerin manyetikliğinin giderilmesi vb. faz geçişleri adı verilen bu tür fenomenlerle tam olarak ilişkilidir. Faz geçişleri, faz geçişi sırasında bir maddenin özelliklerinde ve özelliklerinde (anomalilerde) keskin bir değişiklik ile tespit edilir: gizli ısının salınması veya emilmesi ile; hacimde sıçrama veya ısı kapasitesinde ve termal genleşme katsayısında sıçrama; elektrik direncinde değişiklik; manyetik, ferroelektrik, piezomanyetik özelliklerin görünümü, X-ışını kırınım modelindeki değişiklikler vb. Belirli koşullar altında bir maddenin fazlarından hangisinin kararlı olduğu, termodinamik potansiyellerden biri tarafından belirlenir. Bir termostatta belirli bir sıcaklık ve hacimde, bu Helmholtz serbest enerjisi, belirli bir sıcaklık ve basınçta Gibbs potansiyelidir.

Helmholtz potansiyeli F'nin (serbest enerji), bir E maddesinin iç enerjisi ile S entropisi arasındaki farkın çarpımı olduğunu hatırlatmama izin verin. mutlak sıcaklık T:

(1)'deki hem enerji hem de entropi fonksiyonlardır dış koşullar(basınç p ve sıcaklık T) ve belirli dış koşullar altında gerçekleşen faz, olası tüm fazlar arasında en küçük Gibbs potansiyeline sahiptir. Termodinamik açısından bu bir prensiptir. Dış koşullar değiştiğinde, diğer fazın serbest enerjisinin küçüldüğü ortaya çıkabilir. Dış koşullardaki değişiklik her zaman sürekli olarak meydana gelir ve bu nedenle sistemin hacminin sıcaklığa bir miktar bağımlılığı ile açıklanabilir. T ve V değerlerindeki bu anlaşma göz önüne alındığında, faz stabilitesindeki değişimin ve bir maddenin bir fazdan diğerine geçişinin termodinamik yol boyunca belirli bir sıcaklıkta gerçekleştiğini ve her ikisinin de değerlerinin olduğunu söyleyebiliriz. fazlar bu noktaya yakın sıcaklığın fonksiyonlarıdır.İşaret değişiminin nasıl gerçekleştiğini daha detaylı inceleyelim. Yakın bağımlılık biri için ve başka bir faz için, aşağıdakilere bağlı olan bazı polinomlarla yaklaşık olarak tahmin edilebilir:

İki fazın serbest enerjileri arasındaki fark şu şekildedir:

Fark yeterince küçük olduğu sürece, kendimizi yalnızca ilk terimle sınırlayabiliriz ve eğer , o zaman faz I düşük sıcaklıklarda kararlı ise, yüksek sıcaklıklar- Aşama II. Geçiş noktasının kendisinde, serbest enerjinin sıcaklığa göre birinci türevi doğal olarak bir sıçramaya uğrar: at , ve at . Bildiğimiz gibi, aslında şeylerin entropisi vardır. Sonuç olarak, bir faz geçişi sırasında, entropi, geçişin gizli ısısını belirleyen bir sıçrama yaşar. . Tanımlanan geçişlere birinci türden geçişler denir ve bunlar okulda yaygın olarak bilinir ve incelenir. Hepimiz buharlaşma veya erime gizli ısısını biliyoruz. İşte bu.

Geçişi yukarıdaki termodinamik değerlendirmeler çerçevesinde tanımlarken, ilk bakışta yalnızca bir tanesini, olası olmayan bir olasılığı dikkate almadık: sadece serbest enerjiler değil, aynı zamanda sıcaklığa göre türevleri de olabilir. (2)'den, en azından maddenin denge özellikleri açısından böyle bir sıcaklığın ayrı tutulmaması gerektiği sonucu çıkar. Gerçekten de, sahip olduğumuz ile ilgili olarak ilk yaklaşımda ve

ve en azından bu noktada, hiçbir faz geçişi olmamalıdır: 'de daha küçük olan Gibbs potansiyeli, 'de de daha küçük olacaktır.

Doğada, elbette, her şey o kadar basit değil. Bazen iki eşitliğin ve aynı anda tutmanın derin nedenleri vardır. Ayrıca faz I, 'de ve faz II -'de dahili serbestlik derecelerinin keyfi olarak küçük dalgalanmalarına göre kesinlikle kararsız hale gelir. Bu durumda, Ehrenfest'in iyi bilinen sınıflandırmasına göre, ikinci tür geçişler olarak adlandırılan geçişler meydana gelir. Bu isim, ikinci dereceden geçişler sırasında, sıcaklık sıçramalarına göre Gibbs potansiyelinin sadece ikinci türevinin olması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Bildiğimiz gibi, serbest enerjinin sıcaklığa göre ikinci türevi, bir maddenin ısı kapasitesini belirler.

Bu nedenle, ikinci tür geçişler sırasında, maddenin ısı kapasitesinde bir sıçrama gözlemlenmeli, ancak gizli ısı olmamalıdır. at , faz II küçük dalgalanmalara göre kesinlikle kararsız olduğundan ve aynısı faz I için de geçerli olduğundan, ikinci dereceden geçişler sırasında ne aşırı ısınma ne de aşırı soğutma gözlemlenmemelidir, yani faz geçiş noktasında sıcaklık histerezisi yoktur. Bu geçişleri karakterize eden başka dikkat çekici özellikler de vardır.

İkinci dereceden bir geçiş için termodinamik olarak gerekli koşulların altında yatan nedenler nelerdir? Gerçek şu ki, aynı töz hem 'de hem de 'de var. Onu oluşturan elementler arasındaki etkileşimler birdenbire değişmez, fiziksel doğası budur. termodinamik potansiyellerçünkü her iki faz da tamamen bağımsız olamaz. Arasındaki ilişkinin nasıl ortaya çıktığı, istatistiksel mekanik yöntemleri kullanılarak farklı dış koşullar altında termodinamik potansiyeller hesaplanarak basit faz geçiş modelleri üzerinde izlenebilir. Hesaplaması en kolay bedava enerji.

wikipedia

Faz geçişi(faz dönüşümü) termodinamikte - dış koşullar değiştiğinde bir maddenin bir termodinamik fazdan diğerine geçişi. Yoğun parametrelerinde (sıcaklık, basınç vb.) bir değişiklik olan bir faz diyagramı boyunca bir sistemin hareketi açısından, sistem iki fazı ayıran çizgiyi geçtiğinde bir faz geçişi meydana gelir. Farklı termodinamik fazlar, farklı hal denklemleriyle tanımlandığından, bir faz geçişi sırasında aniden değişen bir miktar bulmak her zaman mümkündür.

Termodinamik fazlara bölünme, maddenin toplu hallerine bölünmesinden daha iyi bir durum sınıflandırması olduğundan, her faz geçişine bir değişiklik eşlik etmez. toplama durumu. Ancak, kümelenme durumundaki herhangi bir değişiklik bir faz geçişidir.

En sık göz önünde bulundurulan faz geçişleri, sıcaklıkta bir değişiklik olanlardır. sabit basınç(genellikle 1 atmosfere eşittir). Bu nedenle, bir faz geçişi, erime noktası vb. için "nokta" (çizgi değil) terimleri sıklıkla kullanılır.Tabii ki, hem basınçtaki bir değişiklikle hem de sabit sıcaklık ve basınçta bir faz geçişi meydana gelebilir, ancak bileşenlerin konsantrasyonundaki bir değişiklikle (örneğin, doygunluğa ulaşan bir çözeltide tuz kristallerinin görünümü).

saat birinci dereceden faz geçişi en önemli birincil kapsamlı parametreler aniden değişir: özgül hacim, depolanan iç enerji miktarı, bileşenlerin konsantrasyonu, vb. Vurgularız: sıcaklık, basınç vb. zamanda ani bir değişiklik (ikincisi için aşağıdaki bölüme bakın) Faz geçişlerinin dinamiği).

En yaygın örnekler birinci tür faz geçişleri:

erime ve kristalleşme

buharlaşma ve yoğunlaşma

süblimasyon ve desüblimasyon

saat ikinci tür faz geçişi yoğunluk ve içsel enerji değiştirmeyin yani çıplak göz böyle bir faz geçişi fark edilmeyebilir. Sıçrama, sıcaklık ve basınca göre türevleriyle deneyimlenir: ısı kapasitesi, termal genleşme katsayısı, çeşitli duyarlılıklar, vb.

İkinci türden faz geçişleri, maddenin yapısının simetrisinin değiştiği durumlarda meydana gelir (simetri tamamen kaybolabilir veya azalabilir). Simetrideki bir değişikliğin bir sonucu olarak ikinci dereceden bir faz geçişinin tanımı Landau'nun teorisi tarafından verilmektedir. Şu anda, simetrideki bir değişiklikten değil, geçiş noktasındaki görünümden bahsetmek gelenekseldir. sipariş parametresi, daha az düzenli bir fazda sıfıra eşit ve daha düzenli bir fazda sıfırdan (geçiş noktasında) sıfır olmayan değerlere değişiyor.

İkinci dereceden faz geçişlerinin en yaygın örnekleri şunlardır:

sistemin kritik bir noktadan geçişi

geçiş paramagnet-ferromagnet veya paramagnet-antiferromagnet (sipariş parametresi - manyetizasyon)

metallerin ve alaşımların süperiletkenlik durumuna geçişi (sipariş parametresi süper iletken kondensat yoğunluğudur)

sıvı helyumun süperakışkan bir duruma geçişi (pp - süperakışkan bileşenin yoğunluğu)

amorf malzemelerin camsı bir duruma geçişi

Modern fizik ayrıca üçüncü veya daha yüksek dereceden faz geçişlerine sahip sistemleri de araştırır.

Son zamanlarda geniş kullanım kuantum faz geçişi kavramını aldı, yani. Nernst teoremi nedeniyle klasik bir faz geçişinin gerçekleştirilemediği mutlak sıfır sıcaklıklarda bile var olan, klasik termal dalgalanmalar tarafından değil, kuantum dalgalanmaları tarafından kontrol edilen bir faz geçişi.

Faz geçişleri

FAZ GEÇİŞLERİ (faz dönüşümleri), bir maddenin bir fazdan diğerine geçişleri, sıcaklık, basınç veya diğer herhangi bir dış faktörün (örneğin manyetik veya elektrik alanlar) etkisi altında meydana gelir. Maddenin yoğunluğunda ve entropisinde sıçrama benzeri bir değişikliğin eşlik ettiği faz geçişlerine 1. tür faz geçişleri denir; Bunlar arasında buharlaşma erime, yoğunlaşma, kristalleşme. Bu tür faz geçişleri sırasında, sıcaklık faz geçişleri. 2. tür faz geçişleri yoğunluk ve geçiş noktasında maddenin entropisi sürekli değişir, atermal kapasite, sıkıştırılabilirlik ve diğer benzer nicelikler bir sıçrama yaşar. Kural olarak, bu değişir ve buna göre, simetri faz (örneğin, Curie noktasında paramanyetikten ferromanyetik duruma faz geçişleri sırasında manyetik).

Evregeçişlerilktür evre geçişler, birinci türevlerin aniden değiştiği termodinamik potansiyellerüzerinde yoğun parametreler sistem (sıcaklık veya basınç). Birinci türden geçişler, hem sistemin bir kümelenme durumundan diğerine geçişi sırasında, hem de bir kümelenme durumunun sınırları içinde gerçekleşir. evre geçişler ikinci tür tek bir toplama durumu içinde meydana gelen).

Birinci dereceden faz geçişlerine örnekler

sistemin bir kümelenme durumundan diğerine geçişi sırasında: kristalleşme(sıvı fazdan katıya geçiş), erime(katı fazın sıvıya geçişi), yoğunlaşma(gaz fazının katı veya sıvı hale geçişi), süblimasyon(katı fazın gaz fazına geçişi), ötektik, peritektik imonotektik dönüşümler.

tek bir kümelenme durumu içinde: ötektik, peritektik ve polimorfik dönüşümler, aşırı doymuş katı çözeltilerin ayrışması, sıvı çözeltilerin ayrışması (tabakalaşması), katı çözeltilerin sıralanması.

Bazen birinci dereceden faz geçişleri olarak da adlandırılır. martensitik dönüşümler(şartlı olarak, martensitik dönüşümün girişinde, kararlı, ancak denge dışı bir duruma geçiş gerçekleştiğinden - yarı kararlı durum).

Evregeçişlerikincitür-evre geçişler, bunun için birinci türevler termodinamik potansiyeller basınç ve sıcaklıkta sürekli değişirken, ikinci türevleri bir sıçrama yaşar. Özellikle şu şekildedir: enerji ve bir maddenin hacmi ikinci dereceden bir faz geçişi sırasında değişmez, ancak ısı kapasitesi, sıkıştırılabilirlik, çeşitli duyarlılıklar, vb.

FP (Wiki)

Termodinamik fazlara bölünme, bir maddenin toplu hallerine bölünmesinden daha küçük bir durum sınıflandırması olduğundan, her faz geçişine toplu halde bir değişiklik eşlik etmez. Ancak, kümelenme durumundaki herhangi bir değişiklik bir faz geçişidir.

En sık düşünülen faz geçişleri, sıcaklıkta değişiklik olan, ancak sabit bir basınçta (genellikle 1 atmosfere eşit) olanlardır. Bu nedenle, bir faz geçişi, erime noktası vb. için "nokta" (çizgi değil) terimleri sıklıkla kullanılır.Tabii ki, hem basınçtaki bir değişiklikle hem de sabit sıcaklık ve basınçta bir faz geçişi meydana gelebilir, ancak bileşenlerin konsantrasyonundaki bir değişiklikle (örneğin, doygunluğa ulaşan bir çözeltide tuz kristallerinin görünümü).

Faz geçişlerinin sınıflandırılması

saat birinci dereceden faz geçişi en önemli, birincil kapsamlı parametreler aniden değişir: özgül hacim, depolanan iç enerji miktarı, bileşenlerin konsantrasyonu, vb. Vurgularız: sıcaklık, basınç vb. değişikliklerle bu miktarlardaki ani değişimi kastediyoruz ve zamanda ani bir değişiklik değil (ikincisi için aşağıdaki bölüme bakın) Faz geçişlerinin dinamiği).

En yaygın örnekler birinci tür faz geçişleri:

erime ve kristalleşme

buharlaşma ve yoğunlaşma

süblimasyon ve desüblimasyon

saat ikinci tür faz geçişi yoğunluk ve iç enerji değişmez, bu nedenle böyle bir faz geçişi çıplak gözle görülmeyebilir. Sıçrama, sıcaklık ve basınca göre türevleriyle deneyimlenir: ısı kapasitesi, termal genleşme katsayısı, çeşitli duyarlılıklar, vb.

İkinci dereceden faz geçişlerinin en yaygın örnekleri şunlardır:

sistemin kritik bir noktadan geçişi

paramagnet-ferromagnet veya paramagnet-antiferromagnet geçişi (sipariş parametresi - manyetizasyon)

metallerin ve alaşımların süperiletkenlik durumuna geçişi (sipariş parametresi süper iletken kondensat yoğunluğudur)

sıvı helyumun süperakışkan durumuna geçişi (pp - süperakışkan bileşenin yoğunluğu)

amorf malzemelerin camsı bir duruma geçişi

İkinci dereceden fazla faz geçişlerinin varlığı henüz deneysel olarak doğrulanmamıştır.

Son zamanlarda, kuantum faz geçişi kavramı, yani klasik termal dalgalanmalar tarafından değil, mutlak sıfır sıcaklıklarda bile var olan kuantum olanlar tarafından kontrol edilen bir faz geçişi kavramı yaygınlaştı. Nernst teoremi.

Faz geçişlerinin dinamiği

Yukarıda belirtildiği gibi, bir maddenin özelliklerinde bir sıçrama, sıcaklık ve basınçta bir değişiklik olan bir sıçrama anlamına gelir. Gerçekte, sistem üzerinde hareket ederken, bu miktarları değil, hacmini ve toplam iç enerjisini değiştiririz. Bu değişiklik her zaman sonlu bir oranda meydana gelir, bu da yoğunluktaki veya spesifik iç enerjideki tüm boşluğu "kapatmak" için sınırlı bir zamana ihtiyacımız olduğu anlamına gelir. Bu süre zarfında, maddenin tüm hacminde faz geçişi hemen değil, kademeli olarak gerçekleşir. Bu durumda, birinci dereceden bir faz geçişi durumunda, belirli bir miktarda enerji serbest bırakılır (veya alınır), buna denir. faz geçiş ısısı. Faz geçişinin durmaması için bu ısının sürekli olarak uzaklaştırılması (veya sağlanması) veya sistem üzerinde çalışma yapılarak telafi edilmesi gerekir.

Sonuç olarak, bu süre boyunca, faz diyagramında sistemi tanımlayan nokta işlem tamamlanana kadar "donar" (yani basınç ve sıcaklık sabit kalır).

Düşük basınçtaki birçok madde, gevşek bir şekilde paketlenmiş yapılar halinde kristalleşir. Örneğin, kristal hidrojen, birbirinden nispeten büyük mesafelerde bulunan moleküllerden oluşur; Grafitin yapısı, bir dizi uzak aralıklı karbon atomu katmanıdır. Yeterince yüksek basınçlarda, bu tür gevşek yapılar Gibbs enerjisinin büyük değerlerine karşılık gelir. Bu koşullar altında Ф'nin daha düşük değerleri, denge yakın paketlenmiş fazlara karşılık gelir. Bu nedenle, ne zaman yüksek basınçlar grafit elmasa girer ve moleküler kristalli hidrojen atomik (metal) içine girmelidir. Kuantum sıvıları 3He ve 4He, ulaşılan en düşük sıcaklıklara kadar normal basınçta sıvı kalır ( T~ 0.001 K). Bunun nedeni, parçacıkların zayıf etkileşimi ve mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda salınımlarının büyük genliğidir (sıfır salınımları olarak adlandırılır, bkz. Belirsizlik ilişkisi) . Bununla birlikte, basınçta bir artış (20'ye kadar ATM T "0 K) sıvı helyumun katılaşmasına yol açar.Sıfır dışındaki sıcaklıklarda ve verilen basınç ve sıcaklıkta, denge fazı hala minimum Gibbs enerjisine sahip fazdır (basınç kuvvetlerinin çalışmasının ve miktarın minimum enerji sisteme verilen ısı çıkarılır).

Birinci tür F.p. eğrisinin yakınında yarı kararlı bir denge bölgesinin varlığı, birinci sınıf bir F.P.'nin karakteristiğidir (örneğin, bir sıvı, kaynama noktasının üzerindeki bir sıcaklığa ısıtılabilir veya donma noktasının altına aşırı soğutulabilir) . Yarı kararlı durumlar oldukça uzun bir süredir mevcuttur, çünkü daha düşük Ф değerine sahip (termodinamik olarak daha uygun) yeni bir fazın oluşumu, bu fazın çekirdeklerinin ortaya çıkmasıyla başlar. Çekirdeğin oluşumu sırasında F değerindeki kazanç hacmi ile orantılıdır ve kayıp yüzey alanı ile orantılıdır (yüzey enerjisinin değeri) . Ortaya çıkan küçük çekirdekler F'yi arttırır ve bu nedenle çok büyük bir olasılıkla azalır ve kaybolurlar. Ancak belirli bir kritik büyüklüğe ulaşan çekirdekler büyür ve tüm madde yeni bir faza geçer. Kritik boyutta bir çekirdeğin oluşumu çok olası olmayan bir süreçtir ve oldukça nadiren gerçekleşir. Madde yabancı makroskopik kalıntılar (örneğin, bir sıvıdaki toz parçacıkları) içeriyorsa, kritik boyutta çekirdek oluşma olasılığı artar. Kritik noktaya yakın, denge fazları arasındaki fark ve yüzey enerjisi azalır, çekirdekler kolayca oluşur büyük boy ve maddenin özelliklerini etkileyen tuhaf şekil (bkz. Kritik Olaylar) .

Faz II fenomeninin örnekleri, paramagnet - ferromagnet geçişi sırasında bir mıknatısta bir manyetik momentin görünümü (her durumda belirli bir sıcaklığın altında), paramagnet - antiferromagnet geçişi sırasında antiferromanyetik sıralama, metallerde ve alaşımlarda süperiletkenliğin oluşumu, 3He ve 4He'de aşırı akışkanlığın oluşumu, alaşımların sıralanması, bir maddenin paraelektrik-ferroelektrik geçişi sırasında kendiliğinden (kendiliğinden) polarizasyonunun ortaya çıkması, vb.

Deneysel verilerle iyi bir uyum içinde kritik boyutlar ve hal denklemlerinin teorik hesaplanmasında büyük ilerleme kaydedilmiştir. Kritik boyutların yaklaşık değerleri tabloda verilmiştir.

Termodinamiğin kritik boyutları tablosu ve kinetik miktarlar

Değer

T - tk

Isı kapasitesi

Duyarlılık*

bir manyetik alan

manyetik moment

Rayleigh çizgi genişliği

Boyut

* Basınçla yoğunluk değişimi, gerilimle manyetizasyon manyetik alan ve benzeri. tk- Kritik sıcaklık.

İkinci türden FP teorisinin daha da geliştirilmesi, kuantum alan teorisi yöntemlerinin, özellikle de renormalizasyon grubu yönteminin uygulanmasıyla bağlantılıdır. Bu yöntem, prensipte, gerekli herhangi bir doğrulukla kritik indekslerin bulunmasına izin verir.

F. p.'nin iki türe ayrılması biraz keyfidir, çünkü Isı kapasitesinde ve diğer miktarlarda küçük sıçramalarla birinci tür faz geçişleri ve oldukça gelişmiş dalgalanmalarla küçük geçiş ısıları vardır. Php, kesin olarak tanımlanmış sıcaklık değerlerinde ve yalnızca limitte keyfi olarak çok sayıda parçacık içeren bir sistemde meydana gelen kolektif bir olgudur.

Aydınlatılmış.: Landau L.D., Lifshits E.M., istatistiksel fizik, 2. baskı, M., 1964 (Teorik Fizik, cilt 5); Landau L.D., Akhiezer A.I., Lifshits E.M., Genel fizik dersi. mekanik ve moleküler fizik, 2. baskı, M., 1969; Braut R., Faz geçişleri, çev. İngilizce'den, M., 1967; Fisher M., Kritik durumun doğası, çev. İngilizce'den, M., 1968; Stanley G., Faz geçişleri ve kritik olaylar, çev. İngilizce'den, M., 1973; Anisimov M.A., Sıvılarda kritik fenomen çalışmaları, "Fiziksel bilimlerdeki gelişmeler", 1974, v. 114, c. 2; Patashinsky A.Z., Pokrovsky V.L., Faz geçişlerinin dalgalanma teorisi, M., 1975; Kuantum teorisi faz geçişlerinin alanları ve fiziği, çev. English, M., 1975'ten (News of basicphysic, sayı 6); Wilson K., Kogut J., Renormalization group and e-expansion, çev., English, M., 1975 (News of basicphysic, v. 5).

V.L. Pokrovsky.

evre tüm fiziksel olarak aynı olan sistemin bir dizi parçası, kimyasal özellikler ve yapısal kompozisyon. Örneğin, katı, sıvı ve gaz fazları (toplanma durumları olarak adlandırılır) vardır.

Faz geçişi (faz dönüşümü), geniş anlamda - bir maddenin dış koşullarda bir değişiklikle bir fazdan diğerine geçişi ( T, R, manyetik ve elektrik alanlar, vb.); dar anlamda - kademeli bir değişiklik fiziksel özellikler dış parametrelerde sürekli bir değişiklik ile. Faz geçişlerini daha da dar anlamda ele alacağız.

Birinci tür ve ikinci tür faz geçişleri vardır. Birinci türden faz geçişi, doğada yaygın bir fenomendir. Bunlar şunları içerir: buharlaşma ve yoğuşma, erime ve katılaşma, süblimleşme veya süblimleşme (bir maddenin erimeden doğrudan kristal halden gaz haline, örneğin kuru buz) ve yoğuşma, katı bir faza vb. birinci tür geçişlere evrim veya soğurma ısısı (faz geçiş ısısı q) eşlik ederken, yoğunluk, bileşenlerin konsantrasyonu, molar hacim, vb. aniden değişir.

İkinci dereceden bir faz geçişine, ısının salınması veya emilmesi eşlik etmez, yoğunluk sürekli olarak değişir, ancak örneğin molar ısı kapasitesi, elektriksel iletkenlik, viskozite, vb. gibi aniden değişir. İkinci dereceden faz geçişlerinin örnekleri şunlar olabilir: manyetik bir maddenin ferromanyetik bir durumdan geçişi ( ben>> 1) paramanyetik ( m" 1) Curie noktası olarak adlandırılan belirli bir sıcaklığa ısıtıldığında; bazı metallerin ve alaşımların düşük sıcaklıklarda normal durumdan süper iletken duruma geçişi vb.

İş bitimi -

Bu konu şunlara aittir:

Enstrümantasyon ve bilişim

Rusya Federasyonu Eğitim Bakanlığı ... Moskova devlet akademisi... Enstrümantasyon ve bilişim...

Bu konuyla ilgili ek materyale ihtiyacınız varsa veya aradığınızı bulamadıysanız, çalışma veritabanımızdaki aramayı kullanmanızı öneririz:

Alınan malzeme ile ne yapacağız:

Bu materyalin sizin için yararlı olduğu ortaya çıktıysa, sosyal ağlarda sayfanıza kaydedebilirsiniz:

Bu bölümdeki tüm konular:

Isı kapasitesi
Özısı maddeler - 1 kg maddeyi 1 K ısıtmak için gereken ısı miktarına eşit bir değer:

izokorik süreç
Onun için V=const. Bu işlemin diyagramı (izokor)

izobarik süreç
Onun için P=sabit. Bu işlemin diyagramı (izobar)

izotermal süreç
Onun için T-const. Örneğin, kimyasal olarak saf maddelerin kaynama, yoğuşma, erime ve kristalleşme süreçleri aşağıdaki durumlarda meydana gelir. Sabit sıcaklık dış basınç sabit ise.

Adyabatik süreç
Bu, sistem ve sistem arasında ısı değişiminin () olmadığı bir süreçtir. çevre. K adyabatik

Dairesel süreçler (döngüler)
Sistemin bir dizi durumdan geçtikten sonra orijinal durumuna döndüğü sürece denir. döngüsel süreç veya döngü. Proses diyagramında döngü kapalı bir eğri olarak gösterilir.

karnot döngüsü
1824'te Fransız fizikçi ve mühendis N. Carnot (1796-1832), iki izoterm ve d'den oluşan tersinir en ekonomik döngüyü teorik olarak analiz ettiği tek çalışmayı yayınladı.

Entropi
4.10.1. termodinamikte entropi

Termodinamiğin ikinci yasası (BNT)
Enerjinin korunumu ve dönüşümünün evrensel yasasını ifade eden termodinamiğin birinci yasası (PNT), süreçlerin yönünü belirlemeye izin vermez. Gerçekten de, kendiliğinden bulaşma süreci

Moleküller arası etkileşimlerin kuvvetleri ve potansiyel enerjisi
1-2 numaralı derslerde, molekülleri ihmal edilebilecek kadar küçük bir iç hacme sahip olan ve birbirleriyle uzaktan etkileşime girmeyen ideal gazlar üzerinde çalışıldı. Yüksek basınçlarda gerçek gazların özellikleri ve

Van der Waals denklemi (VdW)
AT Bilimsel edebiyat Bir gerçek gazın birbirinden farklı 150'den fazla hal denklemi vardır. Hiçbiri gerçekten doğru ve evrensel değil. denklemde duralım

Van der Waals izotermleri
P ve T'nin sabit değerleri için, denklem (2), gaz hacmi V'ye göre üçüncü dereceden bir denklemdir ve bu nedenle, üç gerçek köke (V) sahip olabilir.

Faz diyagramları. üçlü nokta
Aynı maddenin farklı fazları birbirleriyle temas halinde dengede olabilir. Böyle bir denge sadece sınırlı bir sıcaklık aralığında gözlemlenir ve her sıcaklık değeri

Kristal hücre. Kafes parçacıkları arasındaki bağ türleri
Kristalleri sıvılardan ve amorflardan ayıran temel özelliği katılar, çığlığı oluşturan parçacıkların (atomlar, moleküller veya iyonlar) uzaysal düzenlemesinin periyodikliğidir.

Kuantum istatistiklerinin unsurları
Dalgaların ve parçacıkların ikiliği (ikiliği), modern fiziğin temel kavramlarından biridir. Kristallerde hem dalga hem de cisimcik olmak üzere bu yönlerin her ikisini de sergileyen birçok alan vardır.

Fermiyonlar ve bozonlar. Fermi-Dirac ve Bose-Einstein dağılımı
Modern kuantum teorisine göre, tüm temel ve karmaşık parçacıklar ile yarı parçacıklar iki sınıfa ayrılır - fermiyonlar ve bozonlar. Fermiyonlar elektronları, proto

Bir parçacık sisteminin dejenerasyonu kavramı
Kuantum etkileri nedeniyle özellikleri klasik sistemlerin özelliklerinden farklıysa, bir parçacık sistemine dejenere denir. Parçacıklar için dejenerasyon kriterlerini bulalım. Fermi-Dirac ve Bose-Hey dağılımları

Metallerin elektriksel iletkenliğinin kuantum teorisi kavramı
Kuantum teorisine göre, bir metaldeki elektronun kesin bir yörüngesi yoktur; elektron hızına eşit bir grup hızına sahip bir dalga paketi olarak temsil edilebilir. Kuantum teorisi hareketi hesaba katar

Kristallerin bant teorisinin unsurları
Geçen dönem gözden geçirildi enerji seviyeleri bir hidrojen atomundaki elektron [bkz. ders notları, bölüm III, formül (11. 14)]. Orada gösterilebilecek enerji değerleri ve

Kristallerin dielektriklere, metallere ve yarı iletkenlere bölünmesi
Tüm kristaller dielektriklere, metallere ve yarı iletkenlere ayrılır. Düşünce

Yarı iletkenlerin içsel iletkenliği
Kimyasal olarak saf bir yarı iletkenin elektrik iletkenliği (örneğin, saf Ge veya saf Si

safsızlık yarı iletkenler
9.6.1. Donör katışkı, n-tipi yarı iletkenler Bir yarı iletkene katışkıların katılması, onun performansını büyük ölçüde etkiler. elektriksel özellikler. Örneğin, kafeste ne olduğunu düşünelim.

Pn kavşağı
Birçok alanda modern elektronik iki yarı iletkenin n- ve p-tipleri ile temasıyla önemli bir rol oynar

Atom çekirdeğinin yapısı
Çekirdek, atomun neredeyse tüm kütlesinin ve atomunun bulunduğu atomun merkezi kısmıdır. pozitif yük. Bir atomun boyutu angstrom birimleridir (1A=10-10m) ve çekirdek ~10'dur.

Kütle kusuru ve nükleer bağlanma enerjisi
Bir çekirdek oluştuğunda kütlesi azalır: çekirdeğin kütlesi Mn, kendisini oluşturan nükleonların kütlelerinin toplamından Dm ile daha azdır - nükleer kütle kusuru: Dm=Zmp

Nükleer kuvvetler ve özellikleri
Çekirdeğin bileşimi, nötronlara ek olarak, pozitif yüklü protonları içerir ve birbirlerini itmeleri gerekir, yani. bir atomun çekirdeği yok edilmelidir, ama olmaz. Görünüşe göre küçük

radyoaktivite
Radyoaktivite, karakteristik nükleer zamandan (10-22 s) çok daha uzun bir sürede meydana gelen, çekirdeğin bileşiminde kendiliğinden bir değişikliktir. bunu düşünmek için anlaşmıştık

Radyoaktif bozunma yasası
Radyoaktif bozunma istatistiksel bir olgudur, bu nedenle tüm tahminler olasılıklıdır. kendiliğinden bozulma Büyük bir sayı atom çekirdeği radyoaktif bozunma yasasına uyar

nükleer reaksiyonlar
Nükleer reaksiyonlara dönüşüm süreçleri denir atom çekirdeği birbirleriyle veya temel parçacıklarla etkileşimlerinden kaynaklanır. Kural olarak, nükleer reaksiyonlar iki çekirdek dahil

Ders 12. Temel parçacıklar ve dünyanın modern fiziksel resmi
Konsepti tanıtırken temel parçacıklar Başlangıçta, tüm maddeyi oluşturan birincil, sonra bölünmez parçacıkların olduğu varsayıldı. ile 20. yüzyılın başlarına kadar

Parçacıkların birbirine dönüştürülebilirliği
Karakteristik özellik temel parçacıklar karşılıklı dönüşüm yapabilme yetenekleridir. Toplamda, antiparçacıklarla birlikte 350'den fazla temel parçacık keşfedildi ve sayıları artmaya devam ediyor. Büyük

antiparçacıklar
Mikrokozmosta, her parçacık bir karşıparçacığa karşılık gelir. Örneğin, ilk antiparçacık - pozitron (antielektron) 1935'te keşfedildi, yükü + e'dir. Bir boşlukta, pozitron tıpkı

Faz geçişi. Faz dönüşümleri

Enstrümantasyon ve bilişim

Alınan malzeme ile ne yapacağız:

Bu bölümdeki tüm konular:

İlgili Makaleler