Fazni prijelazi tvari. Realni sustavi i fazni prijelazi Tablični tlak pri faznim prijelazima raznih tvari

2. Fazni prijelazi prvog i drugog reda………………………..4

3. Idealni plin………………………………………………………….7

4. Pravi plin…………………………………………………………...8

5. Molekularno - kinetička teorija kritičnih pojava......9

6. Superfluidnost………………………………………………………..11

7. Supravodljivost……………………………………………..13

7.1 Otkriće supravodljivosti………………….…...13

7.2 Interakcija elektron – fonon……………..14

7.3 Supervodiči prve i druge vrste…………16

7.4 Recept za izradu supravodiča…………….17

7.5 Sigurnosne mjere…………………………….18

7.6 Meissnerov efekt………………………………………………………20

8. Zaključak………………………….……………………….22

9. Reference……………………………………………………….25

1. Uvod.

Fazama se nazivaju homogeni različiti dijelovi fizikalnih i kemijskih sustava. Tvar je homogena kada su svi parametri agregatnog stanja tvari isti u svim njezinim volumenima, čije su dimenzije velike u usporedbi s međuatomskim stanjima. Smjese različitih plinova uvijek čine jednu fazu ako su u jednakim koncentracijama u cijelom volumenu.

Ista tvar, ovisno o vanjskim uvjetima, može biti u jednom od tri agregatna stanja – tekućem, krutom ili plinovitom. Ovisno o vanjskim uvjetima, može biti u jednoj fazi ili u više faza odjednom. U prirodi oko nas posebno često opažamo fazne prijelaze vode. Na primjer: isparavanje, kondenzacija. Postoje uvjeti tlaka i temperature pod kojima je tvar u ravnoteži u različitim fazama. Na primjer, kada je plin ukapljen u stanju fazne ravnoteže, volumen može biti bilo koji, a temperatura prijelaza povezana je s tlakom zasićene pare. Temperature pri kojima dolazi do prijelaza iz jedne faze u drugu nazivaju se prijelazne temperature. Ovise o tlaku, iako u različitim stupnjevima: talište je slabije, temperatura isparavanja i sublimacije jača. Pri normalnom i konstantnom tlaku prijelaz se događa na određenoj temperaturi, a tu se odvijaju točke taljenja, vrenja i sublimacije (ili sublimacije). Sublimacija je prijelaz tvari iz krutog u plinovito stanje i može se uočiti, primjerice, u ljušturama repova kometa. Kada je komet daleko od sunca, gotovo sva njegova masa koncentrirana je u njegovoj jezgri, koja mjeri 10-12 kilometara. Jezgra okružena malom plinskom ljuskom je takozvana glava kometa. Pri približavanju Suncu jezgra i ljuske kometa počinju se zagrijavati, povećava se vjerojatnost sublimacije, a smanjuje desublimacija. Plinovi koji izlaze iz jezgre kometa nose krute čestice, glava kometa se povećava u volumenu i postaje plinsko-prašinastog sastava.

2. Fazni prijelazi prvog i drugog reda.

Fazni prijelazi postoje u nekoliko vrsta. Promjene u agregatnim stanjima tvari nazivaju se fazni prijelazi prvog reda ako:

1) Temperatura je konstantna tijekom cijelog prijelaza.

2) Mijenja se glasnoća sustava.

3) Entropija sustava se mijenja.

Da bi se dogodio takav fazni prijelaz, potrebno je dati određenu količinu topline danoj masi tvari, koja odgovara latentnoj toplini pretvorbe. Naime, prilikom prijelaza kondenzirane faze u fazu manje gustoće potrebno je prenijeti određenu količinu energije u obliku topline, koja će se iskoristiti za uništavanje kristalne rešetke (tijekom taljenja) ili za uklanjanje molekule tekućine jedna od druge (tijekom isparavanja). Tijekom transformacije, latentna toplina će ići na transformaciju adhezijskih sila, intenzitet toplinskog kretanja se neće promijeniti, a kao rezultat toga temperatura će ostati konstantna. S takvim prijelazom povećava se stupanj nereda, a time i entropija. Ako proces ide u suprotnom smjeru, tada se oslobađa latentna toplina. Fazni prijelazi prvog reda uključuju: pretvorbu krutine u tekućinu (taljenje) i obrnuti proces (kristalizacija), tekućine u paru (isparavanje, vrenje). Modifikacije jednog kristala u drugi (polimorfne transformacije). Fazni prijelazi druge vrste uključuju: prijelaz normalnog vodiča u supravodljivo stanje, helija-1 u supertekući helij-2, feromagneta u paramagnetsko stanje. Metali kao što su željezo, kobalt, nikal i gadolinij ističu se svojom sposobnošću da postanu visoko magnetizirani i da ostanu magnetizirani dugo vremena. Zovu se feromagneti. Većina metala (alkalijski i zemnoalkalijski metali te značajan dio prijelaznih metala) su slabo magnetizirani i ne zadržavaju to stanje izvan magnetskog polja – oni su paramagnetici. Fazni prijelazi druge, treće i tako dalje vrste povezani su s redoslijedom onih derivata termodinamičkog potencijala ∂ph koji doživljavaju konačna mjerenja na prijelaznoj točki. Ova klasifikacija faznih transformacija povezana je s radom teorijskog fizičara Paula Ernest (1880. -1933.). Dakle, u slučaju faznog prijelaza drugog reda, izvodnice drugog reda doživljavaju skokove na prijelaznoj točki: toplinski kapacitet pri konstantnom tlaku Cp=-T(∂ph 2 /∂T 2), kompresibilnost β=-(1 /V 0)(∂ 2 f/ ∂p 2), toplinski koeficijent rastezanja α=(1/V 0)(∂ 2 f/∂Tp), dok prve izvodnice ostaju kontinuirane. To znači da nema oslobađanja (apsorpcije) topline i nema promjene specifičnog volumena (φ - termodinamički potencijal).

Stanje fazne ravnoteže karakterizira određeni odnos između temperature fazne transformacije i tlaka. Numerički, ova ovisnost za fazne prijelaze dana je Clapeyron-Clausiusovom jednadžbom: Dp/DT=q/TDV. Istraživanja na niskim temperaturama vrlo su važna grana fizike. Činjenica je da se na taj način možete riješiti smetnji povezanih s kaotičnim toplinskim gibanjem i proučavati fenomene u "čistom" obliku. Ovo je posebno važno kada se proučavaju kvantni zakoni. Obično se zbog kaotičnog toplinskog gibanja fizikalna veličina usrednjava na veliki broj svojih različitih vrijednosti i kvantni skokovi su “razmazani”.

Niske temperature (kriogene temperature), u fizici i kriogenoj tehnici temperaturno područje je ispod 120°K (0°c=273°K); Radovi Carnota (radio na toplinskom stroju) i Clausiusa postavili su temelj proučavanju svojstava plinova i para ili tehničkoj termodinamici. Godine 1850. Clausius je uočio da se zasićena vodena para ekspandirajući djelomično kondenzira, a komprimiranom prelazi u pregrijano stanje. Renu je dao poseban doprinos razvoju ove znanstvene discipline. Unutarnji volumen molekula plina na sobnoj temperaturi je otprilike tisućiti dio volumena koji plin zauzima. Osim toga, molekule se privlače jedna drugoj na udaljenostima većim od onih s kojih počinje njihovo odbijanje.

Jednak specifičnim vrijednostima entropije, uzetih sa suprotnim predznakom, i volumena: (4.30) Ako u točkama koje zadovoljavaju faznu ravnotežu: , prve derivacije kemijskog potencijala za različite faze doživljavaju diskontinuitet: , (4.31) kažu da termodinamički sustav doživljava fazni prijelaz prve vrste. Fazne prijelaze prvog reda karakterizira prisutnost latentne topline faznog prijelaza, ...

Protiv pretjeranog dizanja, nulta i maksimalna zaštita. - omogućiti zaustavljanje žila na međutočkama u trupu. svjetlosna signalizacija o načinima rada uređaja za podizanje u zgradi stroja za podizanje, kod operatera uređaja za utovar, kod dispečera. Moderni podesivi istosmjerni električni pogoni za automatizirane podizne instalacije temelje se na istosmjernim motorima...

44,5 cm, c = 12 cm, a = 20 cm, l = 8 cm Djelovanje sile magnetskog sustava procijenjeno je vrijednošću koja je jednaka umnošku modula polja H i njegovog gradijenta. Utvrđeno je da distribuciju modula polja H magnetskog sustava koji razmatramo karakterizira izražena kutna ovisnost. Stoga je izračun modula polja H proveden u koracima od 1° za točke koje se nalaze na dva različita luka za cijeli...

Sustav se sastoji u dobivanju njegovog "faznog portreta" (Wolkenstein, 1978). Omogućuje prepoznavanje stacionarnih stanja sustava i prirode njegove dinamike pri odstupanju od njih. Metoda faznih portreta koristi se u tehnologiji za analizu i predviđanje ponašanja fizičkih sustava različite složenosti te u matematičkoj ekologiji za analizu populacijske dinamike (Volkenshtein, 1978; Svirezhev...

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_0.jpg" alt=">FAZNI PRIJELAZI">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_1.jpg" alt=">Glavne vrste faznih prijelaza (fizička klasifikacija)">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_2.jpg" alt=">Fazni prijelazi s promjenom agregatnog stanja vrenja (kondenzacija ) taljenje (kristalizacija) sublimacija"> Фазовые переходы с изменением агрегатного состояния кипение (конденсация) плавление (кристаллизация) сублимация (конденсация) Все эти процессы сопровождаются резким изменением порядка атомной, молекулярной или ионной структуры вещества (в зависимости от его природы). Обычно с изменением температуры эти фазовые переходы идут по такой схеме: дальний порядок (кристаллическая твердая фаза) ближний порядок (жидкость) беспорядок (газ) Увеличение температуры Уменьшение температуры дальний порядок (кристаллическая твердая фаза) беспорядок (газ) Иногда по другой:!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_3.jpg" alt=">2. Alotropni (polimorfni) fazni prijelazi Polimorfni fazni prijelazi javljaju se samo u čvrstom agregatu"> 2. Аллотропические (полиморфные) фазовые переходы Полиморфные фазовые переходы происходят только в твердом агрегатном состоянии между различными кристаллическими модификациями одного и того же вещества. Почти у каждого химического элемента или соединения имеется несколько модификаций; каждая из них обладает собственной структурой и определенными физико-химическими свойствами. Полиморфный ФП связан с изменением порядка атомной, молекулярной или ионной структуры вещества (в зависимости от его природы) и, как следствие, с изменением физико-химических свойств. ФП данного типа очень часто встречаются в реальных системах. Кристалл моноклинной серы Кристалл ромбической серы 95,5оС!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_4.jpg" alt=">3. Feroelektrični fazni prijelazi Poznate su tvari za koje pod određenim uvjeti možda neki"> 3. Сегнетоэлектрические фазовые переходы Известны вещества, для которых при определенных условиях возможно некоторое упорядочение элементарных дипольных моментов даже при отсутствии внешнего электрического поля. Температуру, при которой это происходит, называют температурой сегнетоэлектрического ФП, или точкой Кюри. Сегнетоэлектрическая фаза – фаза с упорядоченными дипольными моментами, антисегнетоэлектрическая – с разупорядоченными. ВаTiO3 Вещества, в которых могут происходить сегнетоэлектрические ФП, называют сегнетоэлектриками.!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_5.jpg" alt=">4. Magnetski fazni prijelazi Poznata je skupina tvari koje imaju visoka spontana magnetizacija Bez"> 4. Магнитные фазовые переходы Известна группа веществ, обладающих большой спонтанной намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля – это ферромагнетики. Для них возможно существование ферромагнитной и парамагнитной фаз. Ферромагнитная фаза соответствует упорядоченному состоянию элементарных магнитных моментов, парамагнитная – разупорядочению таких моментов. Элементарные магнитные моменты связаны со спиновыми магнитными моментами электронов; следовательно, упорядочение связано с электронной подсистемой вещества. Переход между этими фазами называют ферромагнитным ФП, а температуру, при которой он происходит – ферромагнитной температурой (точкой) Кюри.!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_6.jpg" alt=">5. Fero-feromagnetski fazni prijelazi Poznate su tvari koje, pri određenim temperaturama uočava se sređivanje"> 5. Сегнетоферромагнитные фазовые переходы Известны вещества, у которых при определенных температурах наблюдается упорядочение как электрических, так и магнитных моментов. Такие вещества называют сегнетоферромагнетиками. Сегнетоферромагнитная фаза состоит из двух подсистем – электрической и магнитной, каждая из которых претерпевает переход при разных температурах, поэтому сегнетоферромагнитный ФП следует характеризовать двумя температурами (точками) Кюри – сегнетоэлектрической и ферромагнитной. Поэтому весь такой ФП протекает в интервале температур, определяемом разностью сегнетоэлектрической и ферромагнитной температур Кюри. Электрическую и магнитную подсистемы нельзя считать вполне независимыми, т.к. между ними существует корреляция, хотя и слабая. Поэтому на электрические свойства сегнетоферромагнетиков можно повлиять, использую те факторы, которые действуют на магнитную подсистему, например, магнитное поле, и наоборот.!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_7.jpg" alt=">6. Prijelazi u supravodljivo stanje Suština fenomena supravodljivost je ono što je električno"> 6. Переходы в сверхпроводящее состояние Сущность явления сверхпроводимости состоит в том, что электрическое сопротивление некоторых веществ в районе низких температур становится практически равным нулю. При повышении температуры это свойство исчезает, и вещество переходит в нормальную фазу. Температуру, при которой это происходит, называют критической. Температурные зависимости сопротивления нормального (N) и сверхпроводящего (S) металлов!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_8.jpg" alt=">Kronologija porasta temperature prijelaza u supravodljivo stanje Struktura visokotemperaturni supravodič HgBa2CuO4+δ">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_9.jpg" alt=">Na temperaturi od 2,19 K tekući helij se razdvaja u dvije faze - Pakao i pakao."> При температуре 2,19 К жидкий гелий разделяется на две фазы – HeI и HeII. Сверхтекучесть, то есть способность жидкости течь без трения по очень тонким капиллярам, наблюдается для HeII. 7. Переходы в сверхтекучее состояние Аномальное течение HeII!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_10.jpg" alt=">Kao što se može vidjeti iz razmatranih primjera, vrlo različite stvari mogu dogoditi u termodinamičkom sustavu FP."> Как видно из рассмотренных примеров, в термодинамической системе могут происходить очень разнообразные ФП. Очевидно, что для понимания сущности ФП необходимо сначала провести их классификацию, причем, эта классификация должна быть как можно более общей, не уводящей исследователя к рассмотрению множества частных случаев. Для рассмотрения общих закономерностей ФП необходимо ввести величины и функции, позволяющие описывать как отдельные фазы, так и сам ФП в целом. Проще всего это сделать при термодинамическом рассмотрении процесса.!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_11.jpg" alt=">Termodinamička klasifikacija faznih prijelaza prema Ehrenfestu">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_12.jpg" alt=">Prve derivacije Gibbsove energije Druge derivacije Gibbsove energije i fizičke veličine, s njima povezanim">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_13.jpg" alt=">Promjene termodinamičkih svojstava tijekom faznih prijelaza prvog i drugog reda">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_14.jpg" alt=">Termodinamička teorija faznih prijelaza prvog reda Razmotrimo jednu -komponentni (tj. koji se sastoji od pojedinačne tvari) heterogen"> Термодинамическая теория фазовых переходов I рода Рассмотрим однокомпонентную (т.е. состоящую из индивидуального вещества) гетерогенную систему, состоящую из r фаз. В однокомпонентных системах отдельные фазы представляют собой одно и то же вещество в различных фазовых состояниях. Пусть система является является закрытой (суммарное число молей ∑nr=const), а основными параметрами ее состояния служат p и T. Основной термодинамической функцией, характеризующей состояние такой системы, является энергия Гиббса G.!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_15.jpg" alt=">Za svaku od r faza ovog sustava možemo zapisati odgovarajuće vrijednosti termodinamičkih parametara"> Для каждой из r фаз этой системы мы можем записать соответствующие значения термодинамических параметров и приписать ей химический потенциал: Фаза 1 – p1, T1, V1, S1, …, μ1; Фаза 2 – p2, T2, V2, S2, …, μ2; ………………………………… Фаза r – pr, Tr, Vr, Sr, …, μr. Состоянию равновесия отвечает равенство интенсивных параметров p, T и μ во всех фазах системы: T1=T2=...=Tr (условие термического равновесия); p1=p2=...=pr (условие механического равновесия) ; μ1= μ2=...= μr (условие химического равновесия). (здесь r=1,2,... равно числу фаз в системе).!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_16.jpg" alt=">Pretpostavimo radi jednostavnosti da u našem jednokomponentnom heterogenom sustavu samo 2 koegzistirajuće faze."> Примем для упрощения, что в нашей однокомпонентной гетерогенной системе сосуществуют только 2 фазы. Условия равновесия для двухфазной системы: T1=T2; p1=p2; μ1= μ2. μ1(p,T)=μ2(p,T). Из определения химического потенциала, поэтому Давление и температура фазового перехода не являются независимыми переменными и должны быть связаны уравнением.!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_17.jpg" alt=">Dobit ćemo eksplicitan izraz za ovu ovisnost. Uzmimo uzeti u obzir da u jednokomponentnim sustavima,"> Получим явное выражение для этой зависимости. Примем во внимание, что в однокомпонентных системах, состоящих из чистого вещества i, химический потенциал равен энергии Гибсса одного моля этого вещества: μi=Gi. При T, p = const условие равновесия: G1=G2. В общем случае выражения для G=G(p,T) в интегральной форме не могут быть найдены. Поскольку G – это функция состояния системы, то ее дифференциал – это полный дифференциал. Мы можем получить уравнение в дифференциальной форме.!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_18.jpg" alt=">Na temelju izraza G=U+pV-TS, nakon diferencijacijom dobivamo: dG=dU+pdV+Vdp-TdS-SdT Uzmimo u obzir izraz"> Исходя из выражения G=U+pV-TS, после дифференцирования получим: dG=dU+pdV+Vdp-TdS-SdT. Примем во внимание выражение для объединенного I и II начала термодинамики dU=TdS-δA и соотношение δA=pdV; произведем замену: dG=TdS-pdV+pdV+Vdp-TdS-SdT. Мы получили выражение для полного дифференциала энергии Гиббса: dG=Vdp -SdT!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_19.jpg" alt=">Fazna transformacija događa se pri T,p=const i prati je promjena volumena iz V1 u V2."> Фазовое превращение происходит при T,p=const и сопровождается изменением объема от V1 до V2. Пусть оно происходит для 1 моля индивидуального вещества, тогда V1 до V2 – это молярные объемы первой и второй фазы. Для изобарно-изотермических потенциалов в двух равновесных фазах 1 и 2: dG1=V1dp-S1dT dG2=V2dp-S2dT Вычитая верхнее уравнение из нижнего, получим: dG2 - dG1 =(V2 - V1) dp – (S2 - S1)dT. Изменения T и p здесь не являются независимыми; они такие, при которых сохраняется равновесие между фазами 1 и 2.!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_20.jpg" alt=">Dakle, između T i p postoji funkcionalna veza koja odgovara faznoj ravnoteži Stoga, ako"> Таким образом, между T и p сохраняется функциональная связь, соответствующая фазовому равновесию. Поэтому, если G1=G2 (равновесие при T и p), то G1+dG1=G2+dG2 (равновесие при T+dT и p+dp). Тогда dG1=dG2, или dG1-dG2 =0. Следовательно, (V2 - V1) dp – (S2 - S1)dT=0 или. Примем во внимание, что. Qф.п - теплота фазового превращения, поглощаемая при переходе 1 моля вещества из фазы 1 в фазу 2; ΔHф.п. – молярная энтальпия фазового перехода.!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_21.jpg" alt=">Kombinirajući zadnje dvije jednadžbe i označavajući V2 -V1=ΔV ( razlika molarnih volumena dviju faza),"> Комбинируя два последних уравнения и обозначив V2 -V1=ΔV (разность молярных объемов двух фаз), получим: Здесь T - температура фазового перехода (кипения, плавления, полиморфного превращения и т.д.). Это уравнение называется уравнением Клаузиуса-Клапейрона и является общим термодинамическим уравнением, приложимым ко всем фазовым переходам чистых веществ. Оно показывает, как температура фазового перехода изменяется с давлением.!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_22.jpg" alt=">Prijelaz između kondenziranih faza Za taljenje (prijelaz kristalna faza - tekućina)"> Переход между конденсированными фазами Для плавления (перехода кристаллическая фаза – жидкость) удобнее переписать уравнение Клаузиуса-Клапейрона в виде: , – изменение температуры плавления при изменении давления. где Если Vж>Vкр и ΔV>0, то с увеличением давления температура плавления повышается (большинства веществ). Если ΔV!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_23.jpg" alt=">Prijelaz tekućina - para (isparavanje) Ako su uvjeti faznog prijelaza (p ,T) prilično su daleko od kritičnih"> Переход жидкость – пар (испарение) Если условия фазового перехода (p,T) достаточно далеки от критической точки, то Vпар>>Vж, и тогда ΔV= Vпар-Vж≈ Vпар. Для 1 моля идеального газа. Тогда (ΔHисп – молярная энтальпия испарения), откуда Поскольку ΔHисп, R и T всегда положительны, то >0. C ростом T давление насыщенного пара над жидкостью всегда увеличивается.!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_24.jpg" alt=">Prijelaz kristalna faza - para (sublimacija) Clausius-Clapeyron jednadžba ima isti izgled, ali"> Переход кристаллическая фаза – пар (сублимация) Уравнение Клаузиуса-Клапейрона имеет тот же вид, но вместо ΔHисп – энтальпия сублимации ΔHсуб:!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_25.jpg" alt=">Ponekad Clausius-Clapeyronova jednadžba za prijelaz iz kondenzirane faze plinovitoj fazi zapisuje se u integralnom obliku:"> Иногда уравнение Клаузиуса-Клапейрона для перехода из конденсированной фазы в газообразную записывается в интегральном виде: Эта форма уравнения справедлива только для узкого интервала температур, в котором ΔH испарения или сублимации можно приближенно считать постоянной величиной. Строго говоря, это не так: зависимость Qp=ΔH изобарного процесса от температуры подчиняется закону Кирхгофа:!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_26.jpg" alt=">Dakle, dobili smo diferencijal (i za neke posebne slučajeve - iu integralu)"> Итак, мы получили в дифференциальной (а для некоторых частных случаев – и в интегральной) форме математическое выражение, которые устанавливает строгую взаимосвязь между термодинамическими параметрами p и T, характеризующими равновесие между двумя различными фазами в однокомпонентной системе. Однако в общем случае нам неизвестен интегральный вид уравнений состояния различных фаз, даже для однокомпонентных систем. Исключением является лишь уравнение Менделеева-Клапейрона, применимое, когда компоненты газообразной фазы подчиняются законам идеальных газов, и ряд более или менее удачно подобранных, но довольно сложных уравнений, описывающих состояние реальных газов и реальных индивидуальных жидкостей.!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_27.jpg" alt=">Fazne transformacije druge vrste događaju se u kristalima tijekom slaganja točkasti defekti (kada se struktura mijenja"> Фазовые превращения второго рода происходят в кристаллах при упорядочении точечных дефектов (когда изменения структуры минимальные), при превращении ферромагнитных веществ в парамагнитные, при переходе в сверхпроводящее и сверхтекучее состояние и т.д. Наиболее общей и полной термодинамической теорией ФП второго рода в настоящее время является теория Ландау, разработанная им в 1937 г. Теория фазовых переходов II рода!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_28.jpg" alt=">Landauova teorija pretpostavlja da se pojedinačne faze sustava razlikuju od druga fizička svojstva,"> В теории Ландау предполагается, что отдельные фазы системы отличаются друг от друга физическими свойствами, изменение которых характеризуют некоторые дополнительные параметры. Т.е., кроме обычных термодинамических параметров (T и p для G), для термодинамического потенциала вводят еще параметры η1, η2 … ηn, которые называют параметрами упорядочения соответствующих подсистем. Пусть фаза имеет только один параметр упорядочения η. Параметр упорядочения характеризует физическое состояние отдельной фазы и выбирается обычно таким образом, что для одной фазы он равен 0, а для второй отличен от нуля. Фаза, для которой η=0, условно называется неупорядоченной фазой, а фаза с η≠0 – упорядоченной. В такой интерпретации ФП связан с переходом системы из упорядоченного состояния в неупорядоченное.!}

FAZNI PRIJELAZ, fazna transformacija, u širem smislu - prijelaz tvari iz jedne fazama drugom kada se promijene vanjski uvjeti - temperatura, tlak, magnetski i električni. polja itd.; u užem smislu – nagla promjena tjelesnog. svojstva s kontinuiranim promjenama vanjskih parametara. Razlika između dva tumačenja pojma "Ph. str." može se vidjeti iz sljedećeg primjera. U užem smislu, prijelaz tvari iz plinovite faze u plazma fazu (vidi. Plazma) nije F. p., budući da ionizacija plin se javlja postupno, ali u širem smislu to je F. p. U ovom članku pojam "F. p." gledano u užem smislu.

Vrijednost temperature, tlaka ili vrijednosti. druge fizičke Vrijednost pri kojoj dolazi do faziranja naziva se prijelazna točka.

Postoje dvije vrste F. str. Kod fizike prve vrste takvi se termodinamički parametri naglo mijenjaju. karakteristike tvari, kao što su gustoća, koncentracija komponenti; po jedinici mase oslobađa se ili apsorbira vrlo određena količina topline, tzv. toplina prijelaza. Kod F. druge vrste postoji određena tjelesna. vrijednost jednaka nuli s jedne strane točke prijelaza postupno raste (od nule) s udaljenošću od točke prijelaza do druge strane. U tom se slučaju gustoća i koncentracija kontinuirano mijenjaju, toplina se ne oslobađa niti apsorbira.

F. p. je raširena pojava u prirodi. U fiziku prve vrste spadaju: isparavanje i kondenzacija, taljenje i skrućivanje, sublimacija i kondenzacija u čvrstu fazu, neki strukturni prijelazi u čvrstim tijelima, na primjer. obrazovanje martenzit u leguri željeza i ugljika. U antiferomagneti s jednom osi magnetiziranja magnetskih podrešetaka dolazi do faznog pomaka tipa I u vanjskom magnetskom polju usmjerenom duž osi. Pri određenoj vrijednosti polja momenti magnetskih podrešetki se okreću okomito na smjer polja (dolazi do "prevrtanja" podrešetki). U čistim supravodičima magnetsko polje uzrokuje faznu promjenu prve vrste iz supravodljivog stanja u normalno stanje .

Na apsolutna nula temperature i fiksnog volumena, faza s najnižom energetskom vrijednošću je termodinamički ravnotežna. Fizika prve vrste u ovom slučaju događa se pri onim vrijednostima tlaka i vanjskih polja pri kojima se uspoređuju energije dviju različitih faza. Ako ne popravite volumen tijela V, i pritisak R, tada u termodinamičkom stanju. ravnoteže, minimum je Gibbsova energija F (ili G), a na prijelaznoj točki u faznu ravnotežu postoje faze s istim vrijednostima F .

Mnoge tvari pri niskim tlakovima kristaliziraju u labavo pakirane strukture. Na primjer, kristalni vodik sastoji se od molekula smještenih na relativno velikoj udaljenosti jedna od druge; struktura grafit je niz široko razmaknutih slojeva ugljikovih atoma. Pri dovoljno visokim pritiscima takve labave strukture odgovaraju velikim vrijednostima Gibbsove energije. Pod ovim uvjetima, ravnotežne blisko pakirane faze odgovaraju manjim vrijednostima F. Stoga se pri visokim tlakovima grafit pretvara u dijamant, i molekularno kristalni. vodik mora postati atomski (metalni). Kvantne tekućine 3 He i 4 He ostaju tekući pri normalnom tlaku sve do najnižih postignutih temperatura (T ~ 0,001 K). Razlog tome je slaba interakcija čestica i velika amplituda njihovih oscilacija pri tempo-pax blizu apsolutnog. nula (tzv. nulte oscilacije ). Međutim, povećanje tlaka (do 20 bankomat pri T = 0 K) dovodi do skrućivanja tekućeg helija. Pri temp-pax različitoj od nule i zadanom tlaku i temperaturi, faza s minimalnom Gibbsovom energijom je još uvijek u ravnoteži (minimalna energija od koje se oduzimaju rad sila pritiska i količina topline koja se prenosi sustavu).

Fiziku prve vrste karakterizira postojanje područja metastabilne ravnoteže u blizini krivulje fizike prve vrste (na primjer, tekućina se može zagrijati na temperaturu iznad vrelišta ili prehladiti ispod točke ledišta). Metastabilna stanja postoje prilično dugo iz razloga što stvaranje nove faze s nižom vrijednošću F (termodinamički povoljnije) počinje pojavom jezgri te faze. Dobitak vrijednosti F tijekom stvaranja jezgre proporcionalan je njezinom volumenu, a gubitak proporcionalan površini (vrijednost površinska energija). Mali embriji koji nastaju se povećavaju F, i stoga će se s velikom vjerojatnošću smanjiti i nestati. Međutim, jezgre koje su dosegle određenu kritičnu veličinu rastu, a cijela tvar prelazi u novu fazu. Formiranje embrija je kritično. veličina je vrlo malo vjerojatan proces i događa se vrlo rijetko. Vjerojatnost nukleacije je kritična. veličina se povećava ako tvar sadrži strane makroskopske inkluzije. veličine (na primjer, čestice prašine u tekućini). Izbliza kritična točka razlika između ravnotežnih faza i površinske energije se smanjuju, lako nastaju jezgre velikih veličina i bizarnih oblika, što utječe na svojstva tvari .

Primjeri tipova faze II su pojava (ispod temperature određene za svaki slučaj) magnetskog momenta u magnetu tijekom paramagnetsko-feromagnetskog prijelaza, antiferomagnetsko uređenje tijekom paramagnetsko-feromagnetskog prijelaza antiferomagnet, pojava supravodljivosti u metalima i legurama, pojava superfluidnosti u 4 He i 3 He, sređivanje legura, pojava spontane polarizacije tvari tijekom paraelektričnog prijelaza feroelektrični itd.

L.D. Kočija sa dva koša(1937.) predložio je opću interpretaciju svih faza druge vrste kao točaka promjene simetrije: iznad točke prijelaza sustav ima veću simetriju nego ispod točke prijelaza. Na primjer, u magnetu, iznad prijelazne točke, smjer elementarnih magnetskih momenata (okreće se)čestice su raspoređene kaotično. Stoga istovremena rotacija svih spinova ne mijenja fiziku. svojstva sustava. Ispod prijelazne točke, leđa imaju preferiranu orijentaciju. Njihova istodobna rotacija mijenja smjer magnetskog momenta sustava. Drugi primjer: u dvokomponentnoj leguri čiji atomi A i B koji se nalazi u čvorovima jednostavnog kubnog kristalna rešetka, neuređeno stanje karakterizira kaotična raspodjela atoma A i B po mjestima rešetke, tako da pomak rešetke za jednu periodu ne mijenja njezina svojstva. Ispod točke prijelaza, atomi legure poredani su redom: ...ABAV... Pomak takve rešetke za period dovodi do zamjene svih atoma A s B ili obrnuto. Kao rezultat uspostave reda u rasporedu atoma, smanjuje se simetrija rešetke.

Sama simetrija se pojavljuje i naglo nestaje. Međutim, veličina koja karakterizira asimetriju (parametar reda) može se kontinuirano mijenjati. Za faze druge vrste parametar reda je jednak nuli iznad prijelazne točke i na samoj prijelaznoj točki. Na primjer, magnetski moment feromagneta ponaša se na sličan način. feroelektrična polarizacija, gustoća superfluidne komponente u tekućem 4 He, vjerojatnost otkrivanja atoma A u odgovarajućem kristalnom čvoru. rešetke od dvokomponentne legure itd.

Fiziku druge vrste karakterizira odsutnost skokova u gustoći, koncentraciji i toplini prijelaza. No potpuno ista slika opaža se u kritičkim. točka na krivulji fazne funkcije prve vrste . Sličnost se pokazuje vrlo dubokom. Gotovo kritično točki, agregatno stanje može se karakterizirati količinom koja ima ulogu parametra reda. Na primjer, u slučaju kritičnog točke na krivulji ravnoteže tekućina-para su odstupanje gustoće od prosječne vrijednosti. Prilikom vožnje na kritičnoj izohora na strani visoke temperature, plin je homogen, a ova vrijednost je nula. Ispod kritična temperatura tvar je stratificirana u dvije faze, u svakoj od kojih odstupanje gustoće od kritične nije jednako nuli. Budući da se faze druge vrste malo razlikuju jedna od druge u blizini fazne točke, moguće je stvaranje velikih jezgri jedne faze u drugoj (fluktuacije), potpuno isti kao i blizu kritičnog. bodova. Uz to se vežu mnoge kritike. pojave tijekom faze II druge vrste: beskonačno povećanje magnetske susceptibilnosti feromagnetika i dielektrične konstante feroelektrika (analogno je povećanje kompresibilnosti u blizini kritične točke tekućina-para), beskonačno povećanje toplinskog kapaciteta, anomalno raspršenje elektromagnetskih valova [svjetlost u tekućini i pari , X-zrake u čvrstim tijelima], neutroni u feromagnetima. Značajno se mijenjaju i dinamički fenomeni, što je povezano s vrlo sporom resorpcijom nastalih fluktuacija. Na primjer, blizu kritične točka tekuće pare sužava Rayleighovu liniju raspršenje svjetlosti, Zatvoriti Curiejeve točke feromagneti i Bodovi Neela antiferomagneti spinska difuzija usporava itd. sri. veličina fluktuacije (radijus korelacije) R raste kako se približava točki faze II druge vrste i u ovoj točki postaje beskonačno velik.

Suvremena dostignuća teorije fizikalnih pojava druge vrste i kritičnih pojava temelje se na hipotezi sličnosti. Pretpostavlja se da ako prihvatimo R po jedinici mjere duljine, a prosj. vrijednost parametra reda ćelije s rubom R- po jedinici mjerenja parametra reda, tada cjelokupni obrazac fluktuacije neće ovisiti ni o blizini prijelazne točke niti o specifičnoj tvari. Sve je termodinamičko. količine su funkcije snage R. Eksponenti se nazivaju kritične dimenzije (indeksi). Oni ne ovise o specifičnoj tvari i određeni su samo prirodom parametra reda. Na primjer, dimenzije u Curievoj točki izotropnog materijala, čiji je parametar reda vektor magnetizacije, razlikuju se od dimenzija u kritičnoj točki. točka tekućina - para ili u Curievoj točki jednoosnog magneta, gdje je parametar reda skalarna veličina.

U blizini prijelazne točke jednadžba stanja ima karakterističan izgled zakona odgovarajuće države. Na primjer, blizu kritične točkasti omjer tekućine i pare (p - p k) / (p l - p g) ovisi samo o (p - p k) / (p l - r g)* K T(ovdje p - gustoća, p k - kritična gustoća, p l - gustoća tekućine, p g - gustoća plina, R - tlak, p k - kritični pritisak, K T - izotermna kompresibilnost),Štoviše, tip ovisnosti s odgovarajućim izborom skale je isti za sve tekućine .

Učinjeni su veliki pomaci u teorijskoj znanosti. proračun kritičnih dimenzije i jednadžbe stanja dobro se slažu s eksperimentalnim podacima.

Daljnji razvoj teorije fizike druge vrste povezan je s korištenjem metoda kvantne teorije polja, posebice metode renormalizacijske skupine. Ova metoda omogućuje, u načelu, pronalaženje kritičnih indeksa s bilo kojom potrebnom točnošću.

Podjela fizike na dvije vrste donekle je proizvoljna, budući da postoje fizike prve vrste s malim skokovima u toplinskom kapacitetu i drugim veličinama te malim prijelaznim toplinama s visoko razvijenim fluktuacijama. Fizikalna pojava je skupna pojava koja se javlja pri strogo određenim vrijednostima temperature i drugih veličina samo u sustavu koji ima, u granicama, proizvoljno veliki broj čestica.

Lit.: Landau L. D., Lifshits E. M., Statistička fizika, 2. izdanje, M., 1964. (Teorijska fizika, sv. 5); Landau L. D., Akhiezer A. I., Lifshits E. M., Tečaj opće fizike. Mehanika i molekularna fizika, 2. izdanje, M., 1969; Brayt R., Fazni prijelazi, trans. s engleskog, M., 1967.;Fisher M., Priroda kritičnog stanja, trans. s engleskog, M., 1968.; Stanley G., Fazni prijelazi i kritični fenomeni, trans. s engleskog, M., 1973.; Anisimov M.A., Studije kritičnih pojava u tekućinama, "Advances in Physical Sciences", 1974, v. 114, v. 2; Patashinsky A. Z., Pokrovsky V. L., Fluktuacijska teorija faznih prijelaza, M., 1975; Kvantna teorija polja i fizika faznih prijelaza, trans. s engleskog, M., 1975. (Vijesti fundamentalne fizike, br. 6); Wilson K., Kogut J., Renormalization group and s-expansion, trans. s engleskog, M., 1975. (Vijesti fundamentalne fizike, v. 5).

U. L. Pokrovski.

Na temelju TSB materijala.

Belousova Julija, Koban Anastazija

Rad opisuje fazne prijelaze materije. Fazna ravnoteža. Taljenje, kristalizacija, isparavanje, kondenzacija.

Preuzimanje datoteka:

Pregled:

Kako biste koristili preglede prezentacije, stvorite Google račun i prijavite se na njega: https://accounts.google.com

Naslovi slajdova:

Istraživački rad u fizici: Fazni prijelazi tvari

Plan: Područje predmeta i predmet rada Relevantnost studija Svrha i ciljevi studija Upoznavanje s početnim informacijama o faznim prijelazima Vrste faznih prijelaza Fazna ravnoteža Procesi u faznim prijelazima Zaključak

Objektna domena Fizika je znanost o svemiru koja nam omogućuje razmatranje i razumijevanje procesa koji nas okružuju u svim njihovim suptilnostima. “Najljepše što možemo doživjeti je ono neshvatljivo. Služi kao izvor prave umjetnosti i znanosti.” Albert Einstein.

Predmet proučavanja Za predmet proučavanja u ovom području razmotrit ćemo proces faznog prijelaza tvari.

Relevantnost teme Ova tema je zanimljiva i relevantna jer je posljednjih godina poznata raširena uporaba faznih prijelaza u raznim područjima znanosti i tehnologije. Fazni prijelazi mogu se klasificirati kao najpraktičnije primjene fizičkih učinaka. To se objašnjava činjenicom da su fazni prijelazi: Često se koriste u patentima i praktičnim rješenjima.

Svrha rada: Upoznati se s temeljnim pojmovima suvremene znanosti o različitim vrstama faznih ravnoteža i fizikalnim značajkama procesa prijelaza tvari iz jedne faze u drugu.

Ciljevi: Razmatranje koncepta faznog prijelaza; Identifikacija tipova faznog prijelaza i glavnih karakteristika; Razmatranje fazne ravnoteže; Utvrđivanje različitih procesa faznog prijelaza

Pojam faznog prijelaza Fazni prijelaz, fazna transformacija, u širem smislu, prijelaz je tvari iz jedne faze u drugu pri promjeni vanjskih uvjeta - temperature, tlaka, magnetskih i električnih polja itd. U užem smislu, to je nagla promjena fizikalnih svojstava uz kontinuiranu promjenu vanjskih parametara.

Vrste faznih prijelaza Fazni prijelazi dijele se na tipove I i II.Promjene agregatnih stanja tvari nazivaju se faznim prijelazima I. reda ako je: 1) Temperatura tijekom cijelog prijelaza konstantna. 2) Mijenja se glasnoća sustava. 3) Entropija sustava se mijenja. Fazni prijelazi drugog reda su fazni prijelazi kod kojih se prve derivacije termodinamičkih potencijala s obzirom na tlak i temperaturu kontinuirano mijenjaju, dok njihove druge derivacije doživljavaju skok. Iz toga proizlazi, naime, da se energija i volumen tvari tijekom faznog prijelaza drugog reda ne mijenjaju, ali se mijenja njezin toplinski kapacitet, stlačivost, razne susceptibilnosti itd.

Prijelazi faznog dijagrama koji prikazuju granice prvog i drugog reda tekuće i plinovite faze

Fazna ravnoteža Uvjet za faznu ravnotežu može se dobiti iz teorema termodinamike. Kada je sustav u ravnoteži, temperature i tlakovi svih njegovih faza su isti. Ako se održavaju konstantnima, tada se termodinamički potencijal sustava može samo smanjivati. U ravnoteži poprima minimalnu vrijednost. Neka je m 1 masa prve, a m 2 masa druge faze.  1 i  2 su specifični termodinamički potencijali tvari u tim fazama. Termodinamički potencijal cijelog sustava predstavljen je kao F = m 1  1 + m 2  2. Ako je  1   2, tada je svaka transformacija faze 1 u fazu 2 popraćena smanjenjem F. Ova transformacija će se dogoditi dok cijela faza 1 ne prijeđe u stabilniju fazu 2. Tada će sustav postati jednofazni, a njegov termodinamički potencijal postići će minimalnu vrijednost m  2. Naprotiv, ako je  1   2, tada će se faza 2 na kraju pretvoriti u fazu 1. Samo pod uvjetom  1 (P, T) =  2 (P, T) (1) Faze će biti u ravnoteži s jedni druge. Dakle, uvjet za faznu ravnotežu je jednakost njihovih specifičnih termodinamičkih potencijala.

Dijagram fazne ravnoteže ugljičnog dioksida:

Značenje uvjeta (1) je da tijekom bilo koje fazne transformacije vrijednost specifičnog termodinamičkog potencijala ostaje nepromijenjena. Dakle, pri svim promjenama agregatnog stanja tvari, njezin se specifični termodinamički potencijal uvijek kontinuirano mijenja

Procesi u faznim prijelazima Razmotrimo: Isparavanje i kondenzaciju Taljenje i kristalizaciju Vrenje i pregrijavanje tekućine

Isparavanje i kondenzacija Prijelaz tekućine u plinovito stanje naziva se isparavanje, prijelaz krutine u plinovito stanje sublimacija. Toplina koja se mora predati jedinici mase tvari da bi se ona pretvorila u paru, koja ima istu temperaturu kao tvar prije isparavanja, naziva se specifična toplina isparavanja. Tijekom kondenzacije vraća se toplina izgubljena tijekom isparavanja: tekućina nastala tijekom kondenzacije se zagrijava. Para koja je u ravnoteži sa svojom tekućinom naziva se zasićena. Tlak pri kojem dolazi do ravnoteže naziva se tlak zasićene pare.

Isparavanje neke tekućine Isparavanje nekih vrsta tekućina u dijagramu

Taljenje i kristalizacija Prijelaz kristalnog tijela u tekuće stanje događa se na temperaturi specifičnoj za svaku tvar i zahtijeva utrošak određene količine topline, koja se naziva toplina taljenja. Temperatura taljenja ovisi o tlaku. Dakle, prijelaz iz kristalnog u tekuće stanje događa se pod vrlo specifičnim uvjetima, karakteriziranim vrijednostima tlaka i temperature. Skup ovih vrijednosti odgovara krivulji na (p, T) dijagramu, koja se obično naziva krivulja topljenja

Proces kristalizacije, obrnut od taljenja, odvija se na sljedeći način. Kada se tekućina ohladi na temperaturu na kojoj čvrsta i tekuća faza mogu biti u ravnoteži pri određenom tlaku (tj. na istu temperaturu na kojoj je došlo do taljenja), počinje istovremeni rast kristala oko tzv. jezgri ili kristalizacija središta. Rastući sve više i više, pojedinačni se kristali na kraju zbliže, tvoreći polikristalnu krutinu. Proces kristalizacije prati oslobađanje iste količine topline koja se apsorbira tijekom taljenja.

Topljenje

Dijagram: Taljenje-kristalizacija

Vrenje i pregrijavanje tekućine Ako se tekućina u posudi zagrijava pri stalnom vanjskom tlaku od slobodne površine tekućine. Ovaj proces stvaranja pare naziva se isparavanje. Nakon postizanja određene temperature, koja se naziva vrelište, stvaranje pare počinje se događati ne samo sa slobodne površine, mjehurići pare rastu i dižu se na površinu, noseći sa sobom samu tekućinu. Proces isparavanja postaje silovit. Ova pojava se naziva vrenje. Pregrijana voda može se dobiti, na primjer, u kvarcnoj tikvici s glatkim stijenkama. Tikvicu najprije dobro isprati sumpornom, dušičnom ili nekom drugom kiselinom, a zatim destiliranom vodom. U opranu tikvicu ulije se destilirana voda iz koje se produljenim kuhanjem ukloni u njoj otopljeni zrak. Nakon toga se voda u tikvici može zagrijati na plinskom plameniku na temperaturu znatno višu od vrelišta, a ipak neće vrijeti, već će samo intenzivno isparavati sa slobodne površine. Tek povremeno se na dnu tikvice stvara mjehurić pare koji brzo raste, odvaja se od dna i diže na površinu tekućine, a dizanjem mu se jako povećava veličina. Tada voda ostaje dugo mirna. Unese li se u takvu vodu plinovita klica, na primjer, bacanjem prstohvata čaja, ona će snažno prokuhati, a temperatura će joj brzo pasti do točke vrenja. Ovo učinkovito iskustvo je eksplozivno.

Temperatura vrenja vode kod jezgrenog vrenja

Zaključak Ovaj rad omogućio je saznati više o procesima koji se događaju kada jedno stanje tvari prelazi u drugo, koje karakteristike ima svaka od faza i stanja. Promatrajući procese oko nas, lako možemo reći kako se to događa, poznavajući samo osnovnu teoriju. Stoga nam fizika pomaže da upoznamo većinu zakona prirodnih znanosti koji će nam pomoći u budućnosti.

Koncept faza u termodinamici se razmatraju u širem smislu od agregacijskih stanja. Prema faza u termodinamici podrazumijevamo termodinamički ravnotežno stanje tvari, koje se po fizikalnim svojstvima razlikuje od drugih mogućih ravnotežnih stanja iste tvari. Ponekad se neravnotežno metastabilno stanje tvari naziva i faza, ali metastabilna. Faze tvari mogu se razlikovati po prirodi kretanja strukturnih čestica i prisutnosti ili odsutnosti uređene strukture. Različite kristalne faze mogu se međusobno razlikovati po tipu kristalne strukture, električnoj vodljivosti, električnim i magnetskim svojstvima itd. Tekuće faze se međusobno razlikuju po koncentraciji komponenata, prisutnosti ili odsutnosti supravodljivosti itd.

Prijelaz tvari iz jedne faze u drugu naziva se fazni prijelaz . U fazne prijelaze spadaju pojave isparavanja i taljenja, kondenzacije i kristalizacije itd. U dvofaznom sustavu faze su u ravnoteži pri istoj temperaturi. Povećanjem volumena, dio tekućine prelazi u paru, ali da bi se temperatura održala konstantnom, potrebno je prenijeti određenu količinu topline izvana. Dakle, da bi se izvršio prijelaz iz tekuće faze u plinoviti sustav, potrebno je prenijeti toplinu bez promjene temperature sustava. Ta toplina ide na promjenu faznog stanja tvari i naziva se toplina fazne transformacije ili latentna toplina prijelaza . S porastom temperature latentna toplina prijelaza fiksne mase tvari opada, a na kritičnoj temperaturi jednaka je nuli. Za karakterizaciju faznog prijelaza koristi se specifična toplina faznog prijelaza. Specifična toplina faznog prijelaza je količina latentne topline po jedinici mase tvari.

Fazni prijelazi s apsorpcijom ili oslobađanjem latentne topline prijelaza nazivaju se fazni prijelazi prvog reda . U tom se slučaju unutarnja energija i gustoća naglo mijenjaju. Pri prelasku iz uređenijeg stanja u manje uređeno stanje, entropija se povećava. Tablica prikazuje fazne prijelaze prvog reda i njihove glavne karakteristike.

Stol. Fazni prijelazi prvog rada i njihove glavne karakteristike .

S Postoji veza između tlaka pri kojem je dvofazni sustav u ravnoteži i temperature tijekom faznih prijelaza prvog reda. Ova veza je opisana . Razmotrimo izvođenje ove jednadžbe za zatvorene sustave. Ako je broj čestica u sustavu konstantan, tada je promjena unutarnje energije, prema prvom zakonu termodinamike, određena izrazom: . Ravnoteža između faza nastupit će pod uvjetom da je T 1 = T 2 i P 1 = P 2. Razmotrimo infinitezimalni reverzibilni Carnotov ciklus (slika 6.8), čije izoterme odgovaraju stanju dvofaznog sustava na temperaturama T i dT. Budući da se parametri stanja mijenjaju beskonačno malo, izoterme i adijabate na slici 6.8 prikazane su kao ravne linije. Tlak se u takvom ciklusu mijenja za iznos dP. Rad sustava po ciklusu određen je formulom:
. Pretpostavimo da se ciklus provodi za sustav čija je masa materije jednaka jedinici. Učinkovitost takvog elementarnog Carnotovog ciklusa može se odrediti formulama:
ili
, Gdje L P– specifična toplina isparavanja. Izjednačavanjem desnih strana ovih jednakosti i zamjenom izraza za rad kroz tlak i volumen dobivamo:
. Povežimo promjenu tlaka s promjenom temperature i dobijemo:

(6.23)

Jednadžba (6.23) naziva se Clapeyron–Clausiusova jednadžba . Analizirajući ovu jednadžbu, možemo zaključiti da s porastom temperature raste i tlak. To proizlazi iz činjenice da
, i stoga
.

Clapeyron-Clausiusova jednadžba primjenjiva je ne samo na prijelaz tekućina-para. Primjenjuje se na sve prijelaze prvog reda. Općenito, može se napisati na sljedeći način:

(6.24)

Pomoću Clapeyron–Clausiusove jednadžbe možemo prikazati dijagram stanja sustava u P, T koordinatama (sl. 6.9). U ovom dijagramu krivulja 1 je krivulja sublimacije. Odgovara stanju ravnoteže dviju faza: krutine i pare. Točke koje leže lijevo od ove krivulje karakteriziraju jednofazno čvrsto stanje. Točke na desnoj strani karakteriziraju stanje pare. Krivulja 2 – krivulja taljenja. Odgovara stanju ravnoteže dviju faza: čvrste i tekuće. Točke koje leže lijevo od ove krivulje karakteriziraju jednofazno čvrsto stanje. Točke koje leže desno od njega do krivulje 3 karakteriziraju tekuće stanje. Krivulja 3 – krivulja isparavanja. Odgovara stanju ravnoteže dviju faza: tekućine i pare. Točke koje leže lijevo od ove krivulje karakteriziraju jednofazno tekuće stanje. Točke na desnoj strani karakteriziraju stanje pare. Krivulja 3 je, za razliku od krivulja 1 i 2, ograničena s obje strane. S jedne strane - trostruka točka tr, s druge strane - kritična točka K (sl. 6.9). Trostruka točka opisuje ravnotežno stanje triju faza odjednom: krutine, tekućine i pare.