Sistemin durumu değiştiğinde bir maddenin bir fazdan diğerine geçişlerine faz dönüşümleri denir. Aşama - belirli bir vücut nesnesi kümesi kimyasal bileşim ve termodinamik özellikler, arayüz tarafından diğer fazlardan ayrılır. Veya başka bir deyişle: faz, sistemden herhangi bir mekanik yolla ayrılabilen homojen olmayan bir sistemin homojen bir parçasıdır. Kural olarak, bir gaz fazı vardır (çok yüksek basınçlarda gaz karışımlarının nadiren tabakalaşması durumları hariç). Sıvı ve özellikle katı fazların sayısı oldukça fazla olabilir.

Faz dönüşümlerinin ana özelliği, fazların termodinamik denge durumunda olduğu sıcaklıktır, faz geçiş noktası. 1933'te Hollanda'daki Leiden Üniversitesi'nde profesör olan P. Ehrenfest, faz geçişlerinin bir sınıflandırmasını önerdi. Bu sınıflandırmaya göre, birinci tür faz geçişleri için, faz geçişi noktasında ısının serbest bırakılması veya emilmesi ($q$) ve hacmin değişmesi ($Δv$) karakteristiktir. Birinci türden faz geçişleri, örneğin bir katının sıvıya dönüşümü (erime) ve ters işlem (kristalizasyon), sıvının buhara dönüşümü (buharlaşma, kaynama), bir kristal modifikasyonun diğerine dönüşümü (polimorfik dönüşümler), vb. Faz geçişleri sırasında İkinci türden termal ve hacimsel etkiler yoktur, ancak geçiş noktasında ısı kapasitesinde, hacimsel termal genleşme katsayısında ve sıkıştırılabilirlikte bir değişiklik gözlenir. İkinci türden faz geçişleri, örneğin, normal bir iletkenin bir süperiletken duruma geçişini (bkz. Süperiletkenlik), helyum I'den süperakışkan helyum II'ye (bkz.

Faz dengesi durumu, faz dönüşüm sıcaklığı ve basınç arasındaki belirli bir ilişki ile karakterize edilir. Bu nedenle, erime veya kaynama noktası dış basınca ve basınca bağlıdır. doymuş buhar Belirli bir sıcaklıkta belirli bir değere sahiptir. Sayısal olarak, birinci tür faz geçişleri için bu bağımlılık, Clausius-Clapeyron denklemi tarafından verilir, buna göre $Δp/ΔT=q/TΔv.$ >0$), daha sonra erime sıcaklığı, kural olarak, artan artışla artar. baskı yapmak. İstisna, katılaşma sırasında hacmin arttığı durumlardır (bizmut, galyum, su, dökme demir). Etki genellikle küçüktür, $((10)^(−2))$ K/atm düzeyindedir. Doymuş buhar basıncı her zaman sıcaklıkla artar.

Faz dengesi, diyagramlar kullanılarak uygun şekilde tasvir edilmiştir. Su gibi bir maddeden oluşan en basit tek bileşenli sistem için böyle bir diyagram Şekil 2'de gösterilmiştir. 1. $OA$ ve $OC$ satırlarının altında, yani düşük basınçlar ve yüksek sıcaklıklar$OB$ ve $OC$ - likit satırları arasında ve $OA$ ve $OB$ satırları arasında buharın kararlılığına karşılık gelen bir bölge vardır - katı buz. Bu bölgelerin her birinin içinde, iki parametre keyfi ve bağımsız olarak değiştirilebilir - fazlardan birinin kararlılık bölgesinde kalırken sıcaklık $T$ ve basınç $p$.

Sistemin $OA,$$OB$ ve $OC,$ çizgileriyle tanımlanan durumları, iki faz arasındaki dengeye, örneğin $OC$ - su ve buhar arasındaki dengeye karşılık gelir.

Üç eğrinin hepsinin kesişme noktasında, üçlü nokta olarak adlandırılan üç faz (buz, su, buhar) dengededir. Üçlü noktada, sıcaklık ve basınç kesin olarak belirtilir (örneğin, su için 0,0078$C$ ve 4,579$ mmHg).

Şekildeki noktalı çizgi $OE$. $OC$ doğrusunun devamı olan 1, aşırı soğutulmuş suyun buhar basıncının sıcaklığa bağımlılığını göstermektedir. Açıkça her zaman buzun buhar basıncından daha yüksektir. Böyle bir faz, daha kararlı bir fazın varlığında kararsızdır (metastabildir). Yarı kararlı fazların (aşırı ısınma ve aşırı soğuma) olma olasılığı, birinci dereceden faz geçişlerinin karakteristik bir özelliğidir. Aşırı ısınma ve aşırı soğutma, yeni bir fazın çekirdeklerinin (buz kristalleri, sıvı damlacıklar, buhar kabarcıkları) oluşumuna enerji harcama ihtiyacı ile ilişkilidir. Buharı ve sıvıyı başka bir faza aktarmak için çeşitli hilelere başvurmanız gerekiyorsa (örneğin, toz parçacıkları üzerinde kolayca buhar kabarcıkları oluşur), o zaman kızgın su son derece saf olmalıdır), o zaman kristaller için kararsız fazlarda uzun, istikrarlı bir varoluş olasılığı neredeyse bir kuraldır. Bu nedenle, elmas oldukça kararlıdır, oda sıcaklığında ve atmosferik basınç grafit olmalıdır. Beyaz kalay 18°C'de gri kalay tozuna (kalay vebası) dönüşmelidir. Ancak, 20$–30$ aşırı soğutmaya kolayca dayandığı bilinmektedir. Yine de, sert bir kışta kalay dönüşümü gerçekleşir. Bunun cehaleti, R. Scott'ın keşif gezisinin ölümünün nedenlerinden biriydi. Güney Kutbu Seferin akaryakıt ikmali, kalayla kapatılmış gemilerdeydi. Şiddetli soğukta, gemiler açıldı ve yakıt dışarı sızdı.

Bir fazı diğerinden ayıran arayüzde, özellikler genellikle aniden değişir. Örneğin, su buharının yoğunluğu suyun yoğunluğundan çok daha azdır. Ancak sıcaklık artırılırsa birbirlerine yaklaşırlar (Şekil 2) ve bazı kritik sıcaklıklarda eşit olurlar. Kritik sıcaklık, farkın oluştuğu sıcaklıktır. fiziksel özellikler ah arasında sıvı ve doymuş buhar. Karşılık gelen basınca kritik basınç denir. Kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda, kolayca ayırt edilebilen iki su durumu vardır - bir buhar sıvısı. Kritik üzerindeki sıcaklıklarda, madde homojen bir buhar halindedir. Bu buharın kapladığı hacim azalırsa basınç artar, ancak buhar sıvıya dönüşmez. Keskin bir sınırı olan iki durum, herhangi bir basınçta elde edilemez (buhar yoğunlaşması nedeniyle kritik sıcaklığın altında olduğu gibi). Bu nedenle, çok uzun süre M. Faraday, basıncı artırarak oksijen ve hidrojeni yoğunlaştırmayı başaramadı; kritik bir sıcaklığın altına soğutulmaları gerekiyordu.

Her maddenin kendi kritik sıcaklığı ve basıncı vardır. Örneğin, cıva için 1730°C$ ve yaklaşık 1640$ atm, su için - 374°C$ ve 218,4$ atm, karbondioksit için - 31°C$ ve 73$ atm, oksijen için - −118°C $ ve 50$ atm, hidrojen - −240°C$ ve 12,8$ atm, helyum - 268°C$ ve 2,26$ atm. Özısı artan sıcaklıkla buharlaşma azalır ve kritik sıcaklıkta sıfıra eşittir.

İkinci dereceden faz geçiş sıcaklığı da basınca bağlıdır. Ancak, daha önce de belirtildiği gibi, termal ve hacimsel etkiler sıfıra eşittir ve bu bağımlılık, faz geçiş noktasında ısı kapasitesi, genleşme katsayısı ve sıkıştırılabilirlikteki değişim tarafından belirlenir.

İkinci türden faz geçişleri, sıradaki bir değişiklikle ilişkilidir. Bu, bir bakır ve çinko alaşımı olan beta pirinçte bir faz geçişi örneği ile anlaşılabilir. Şekil l'de gösterilen bakır atomları. Küpün köşelerinde 3 açık daire, merkezde çinko atomları (koyu daireler) bulunur (veya tam tersi). Mükemmel bir düzende, her bakır atomunun en yakın komşuları olarak sadece çinko atomları vardır. Ancak sıcaklık arttıkça, bir atomun "yabancı" bir bölgeyi işgal etme olasılığı artar. Bu olasılıklar ($((w)_(1))$ - "kendi" siteyi işgal etme olasılığı ve $((w)_(2))$ - "yabancı") farklı olduğu sürece (atomlar daha “onların” “düğümlerinde” "otur"), düğümler eşdeğer değildir ve simetri (biri diğerine yerleştirilmiş, hacim çaprazının yarısı kadar kaydırılmış iki kübik kafes) değişmez. Bu, düşük sıcaklık sıralı bir fazdır. Bununla birlikte, bazı sıcaklıklarda, daha büyük veya sıcaklığa eşit faz geçişi ($((T)_(c))$ - özellikle 1895'te $((T)_(c) sıcaklığının varlığını keşfeden Fransız fizikçi P. Curie'nin adını taşıyan Curie noktası )=770 °C$, bunun üzerinde demirin ferromanyetik özellikleri kaybolur, $((w)_(1))=((w)_(2))$ olur. Artık tüm düğümler eşdeğerdir ve simetri artırılmıştır: beta pirinç, gövde merkezli bir küp kafesine sahiptir. Yeni, daha yüksek bir simetri ile yüksek sıcaklıkta düzensiz bir faz ortaya çıktı (Şekil 4).

Derece derecesini girebilirsiniz $\eta =(((w)_(1))-((w)_(2))):(((w)_(1))+((w)_( 2)) ).$ Tamamen düzenli bir durumda, mutlak sıfır sıcaklığında, $((w)_(1))=1,$ $((w)_(1))=0$ (tüm atomlar "oturur" "onların" düğümlerinde) ve η = 1 iken, tamamen düzensiz ($T≥((T)_(c))$)$\quad((w)_(1))=((w)_( 2))=1 /2$ (tüm düğümler aynıdır) ve $η=0.$ Herhangi bir rastgele küçük $η>0$ için simetri, tamamen sıralı bir fazınkiyle aynıdır. Diğerleri de aynı şekilde açıklanmıştır. faz geçişleri ikinci tür. Bu nedenle, $(T)_(c))$ altındaki demir ferromanyetik özelliklere sahiptir ve üstü - paramanyetik (bkz. Manyetizma). Isıtma üzerine ferromanyetizmanın kaybolması, manyetik momentlerin - dönüşlerin düzenindeki sıradaki bir değişiklik ile ilişkilidir.

$((T)_(c))$ civarında, sipariş derecesi keyfi olarak sıfıra yakındır. Bu nedenle, ikinci dereceden bir faz geçişi enerji harcaması gerektirmez: termal ve hacim etkileri sıfırdır. Bu aynı zamanda düzensiz bir alaşımın neden düzenli bir duruma aşırı soğutulamayacağını da açıklar.

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 geçişi sırasında bir maddenin özelliklerinde ve özelliklerinde (anormallikler) keskin bir değişiklik yaparak faz geçişlerini tespit edin: salıverme veya absorpsiyon yoluyla gizli ısı; 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 mutlak sıcaklık T ile çarpılan S entropisi arasındaki fark olduğunu hatırlatmama izin verin:

(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 sadece ilk terimle sınırlayabiliriz ve eğer , o zaman faz I düşük sıcaklıklarda kararlıdır ve faz II yüksek sıcaklıklarda kararlıdır. 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 - bir maddenin dış koşullar değiştiğinde 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: belirli hacim, depolanan miktar içsel enerji, bileşenlerin konsantrasyonu, vb. Zamanda ani bir değişiklik değil, bu miktarlarda sıcaklık, basınç vb. 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 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.

©2015-2017 sitesi
Tüm hakları yazarlarına aittir. Bu site yazarlık iddiasında bulunmaz, ancak ücretsiz kullanım sağlar.

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 geçişleriyle (dönüşümler), vücut, karşılık gelen geçişin gizli ısısı (erime ısısı, buharlaşma ısısı, vb.) biçiminde enerjiyi ya serbest bırakır ya da emer.

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

Birinci tür faz geçişleri için, sıçrama benzeri, yani çok dar bir sıcaklık aralığında meydana gelen, maddelerin özelliklerinde değişiklik karakteristiktir. 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 kurulduğunda, tekrar bozulmaya başlarlar ve yavaş yavaş kısa menzilli ve kısa ömürlü olurlar.

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.

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 yaklaşık sıcaklıklardaki salınımlarının büyük genliğidir. tamamen sıfır(sözde sıfır salınımlar, 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, paraelektrik-ferroelektrik geçişi sırasında bir maddenin 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 - TL

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 ısı kapasitesinde ve diğer miktarlarda küçük sıçramalarla birinci tür faz geçişleri ve oldukça gelişmiş dalgalanmalara sahip 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., İngilizceden, M., 1975 (Fundamental Physics News, 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 - dış parametrelerde sürekli bir değişiklikle fiziksel özelliklerde atlama benzeri bir değişiklik. 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 şeması (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
Ders 1-2 çalışıldı ideal gazlar Molekülleri ihmal edilebilecek kadar küçük bir iç hacme sahip olan ve birbirleriyle belli bir mesafede etkileşime girmeyen. 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
Mikro kozmosta, her parçacık bir karşıparçacığa karşılık gelir. Örneğin, ilk antiparçacık - pozitron (antielektron) 1935'te keşfedildi, yükü + e'dir. Bir boşlukta, pozitron tıpkı