Przejścia fazowe materii. Układy rzeczywiste i przejścia fazowe Ciśnienie tabelaryczne podczas przejść fazowych różnych substancji

2. Przejścia fazowe pierwszego i drugiego rzędu………………………..4

3. Gaz doskonały……………………………………………………….7

4. Gaz prawdziwy………………………………………………………...8

5. Molekularno-kinetyczna teoria zjawisk krytycznych.......9

6. Nadciekłość…………………………………………………..11

7. Nadprzewodnictwo……………………………………………..13

7.1 Odkrycie nadprzewodnictwa………………….…...13

7.2 Oddziaływanie elektron – fonon……………..14

7.3 Nadprzewodniki pierwszego i drugiego rodzaju………...16

7.4 Przepis na nadprzewodnik…………….17

7.5 Środki ostrożności…………………………….18

7.6 Efekt Meissnera…………………………………………………20

8. Zakończenie……………………….……………………….22

9. Referencje………………………………………………….25

1. Wstęp.

Fazy ​​nazywane są jednorodnymi różnymi częściami układów fizycznych i chemicznych. Substancja jest jednorodna, gdy wszystkie parametry stanu substancji są takie same we wszystkich jej objętościach, których wymiary są duże w porównaniu ze stanami międzyatomowymi. Mieszaniny różnych gazów zawsze tworzą jedną fazę, jeśli występują w jednakowych stężeniach w całej objętości.

Ta sama substancja, w zależności od warunków zewnętrznych, może znajdować się w jednym z trzech stanów skupienia – ciekłym, stałym lub gazowym. W zależności od warunków zewnętrznych może przebiegać w jednej fazie lub w kilku fazach jednocześnie. W otaczającej nas przyrodzie szczególnie często obserwujemy przejścia fazowe wody. Na przykład: parowanie, kondensacja. Istnieją warunki ciśnienia i temperatury, w których substancja znajduje się w równowadze w różnych fazach. Na przykład, gdy gaz jest skroplony w stanie równowagi fazowej, objętość może być dowolna, a temperatura przejścia jest związana z prężnością pary nasyconej. Temperatury, w których zachodzą przejścia z jednej fazy do drugiej, nazywane są temperaturami przejścia. Zależą od ciśnienia, chociaż w różnym stopniu: temperatura topnienia jest słabsza, temperatura parowania i sublimacji jest większa. Przy normalnym i stałym ciśnieniu przejście następuje w określonej temperaturze i tutaj zachodzą punkty topnienia, wrzenia i sublimacji (lub sublimacji). Sublimacja to przejście substancji ze stanu stałego w stan gazowy, które można zaobserwować na przykład w powłokach ogonów komet. Kiedy kometa jest daleko od Słońca, prawie cała jej masa skupia się w jądrze, które mierzy 10-12 kilometrów. Jądro otoczone małą powłoką gazu to tak zwana głowa komety. W miarę zbliżania się do Słońca rdzeń i powłoki komety zaczynają się nagrzewać, wzrasta prawdopodobieństwo sublimacji, a maleje desublimacja. Gazy ulatniające się z jądra komety niosą ze sobą cząstki stałe, głowa komety zwiększa swoją objętość i w składzie staje się gazem-pyłem.

2. Przejścia fazowe pierwszego i drugiego rzędu.

Przejścia fazowe występują w kilku typach. Zmiany stanów agregatowych substancji nazywane są przejściami fazowymi pierwszego rzędu, jeśli:

1) Temperatura jest stała podczas całego przejścia.

2) Zmienia się głośność systemu.

3) Entropia układu się zmienia.

Aby takie przejście fazowe mogło nastąpić, należy danej masie substancji przekazać pewną ilość ciepła, odpowiadającą utajonemu ciepłu przemiany. Tak naprawdę podczas przejścia fazy skondensowanej w fazę o mniejszej gęstości konieczne jest przekazanie pewnej ilości energii w postaci ciepła, która zostanie wykorzystana do zniszczenia sieci krystalicznej (podczas topienia) lub usunięcia cząsteczki cieczy od siebie (podczas parowania). Podczas transformacji ciepło utajone zostanie wykorzystane do przekształcenia sił adhezji, intensywność ruchu termicznego nie ulegnie zmianie, w wyniku czego temperatura pozostanie stała. Przy takim przejściu wzrasta stopień nieporządku, a co za tym idzie, entropia. Jeśli proces przebiega w przeciwnym kierunku, uwalniane jest ciepło utajone. Przejścia fazowe pierwszego rzędu obejmują: przemianę ciała stałego w ciecz (topienie) i proces odwrotny (krystalizacja), ciecz w parę (parowanie, wrzenie). Modyfikacja jednego kryształu w inny (przekształcenia polimorficzne). Przejścia fazowe drugiego rodzaju obejmują: przejście normalnego przewodnika do stanu nadprzewodzącego, helu-1 do nadciekłego helu-2, ferromagnetyka do stanu paramagnetycznego. Metale takie jak żelazo, kobalt, nikiel i gadolin wyróżniają się zdolnością do silnego namagnesowania i utrzymywania się w stanie namagnesowanym przez długi czas. Nazywa się je ferromagnetykami. Większość metali (metale alkaliczne i ziem alkalicznych oraz znaczna część metali przejściowych) jest słabo namagnesowana i nie utrzymuje tego stanu poza polem magnetycznym - są paramagnetykami. Przejścia fazowe drugiego, trzeciego itd. są związane z rzędem tych pochodnych potencjału termodynamicznego ∂ph, które podlegają skończonym pomiarom w punkcie przejścia.Ta klasyfikacja przemian fazowych jest związana z pracami fizyka teoretycznego Paula Ernesta (1880 -1933). Zatem w przypadku przejścia fazowego drugiego rzędu pochodne drugiego rzędu doświadczają skoków w punkcie przejścia: pojemność cieplna przy stałym ciśnieniu Cp=-T(∂ph 2 /∂T 2), ściśliwość β=-(1 /V 0)(∂ 2 f/ ∂p 2), współczynnik rozszerzalności cieplnej α=(1/V 0)(∂ 2 f/∂Tp), przy czym pierwsze pochodne pozostają ciągłe. Oznacza to brak wydzielania (pochłaniania) ciepła i brak zmiany objętości właściwej (φ – potencjału termodynamicznego).

Stan równowagi fazowej charakteryzuje się pewną zależnością pomiędzy temperaturą przemiany fazowej a ciśnieniem. Numerycznie tę zależność dla przejść fazowych podaje równanie Clapeyrona-Clausiusa: Dp/DT=q/TDV. Badania w niskich temperaturach są bardzo ważną gałęzią fizyki. Faktem jest, że w ten sposób można pozbyć się zakłóceń związanych z chaotycznym ruchem termicznym i badać zjawiska w „czystej” postaci. Jest to szczególnie ważne przy badaniu praw kwantowych. Zwykle z powodu chaotycznego ruchu termicznego wielkość fizyczna jest uśredniana na dużej liczbie jej różnych wartości, a skoki kwantowe są „rozmazane”.

Niskie temperatury (temperatury kriogeniczne) w fizyce i technologii kriogenicznej zakres temperatur wynosi poniżej 120°K (0°c=273°K); Prace Carnota (pracującego na silniku cieplnym) i Clausiusa położyły podwaliny pod badania właściwości gazów i par, czyli termodynamikę techniczną. W 1850 roku Clausius zauważył, że nasycona para wodna podczas rozszerzania ulega częściowej kondensacji, a po sprężeniu przechodzi w stan przegrzania. Renu wniósł szczególny wkład w rozwój tej dyscypliny naukowej. Wewnętrzna objętość cząsteczek gazu w temperaturze pokojowej wynosi w przybliżeniu jedną tysięczną objętości zajmowanej przez gaz. Ponadto cząsteczki przyciągają się do siebie na odległościach większych niż te, od których rozpoczyna się ich odpychanie.

Równe określonym wartościom entropii, przyjętym z przeciwnym znakiem i objętością: (4.30) Jeśli w punktach spełniających równowagę fazową: , pierwsze pochodne potencjału chemicznego dla różnych faz doświadczają nieciągłości: , (4.31) mówią że w układzie termodynamicznym następuje przejście fazowe pierwszego rodzaju. Przejścia fazowe pierwszego rzędu charakteryzują się obecnością ciepła utajonego przejścia fazowego, ...

Przed nadmiernym podniesieniem, ochrona zerowa i maksymalna. - zapewnić zatrzymanie statków w punktach pośrednich pnia. sygnalizacja świetlna stanów pracy agregatu wyorywającego w zabudowie maszyny wyorywającej, u operatora urządzenia załadowczego, u dyspozytora. Nowoczesne regulowane napędy elektryczne prądu stałego do zautomatyzowanych instalacji dźwigowych oparte są na silnikach prądu stałego...

44,5 cm, c = 12 cm, a = 20 cm, l = 8 cm Działanie siły układu magnetycznego oszacowano wartością równą iloczynowi modułu pola H i jego gradientu. Stwierdzono, że rozkład modułu pola H rozpatrywanego układu magnetycznego charakteryzuje się wyraźną zależnością kątową. Dlatego obliczenia modułu pola H przeprowadzono w krokach co 1° dla punktów położonych na dwóch różnych łukach dla całego...

System polega na uzyskaniu jego „portretu fazowego” (Wolkenstein, 1978). Umożliwia identyfikację stanów stacjonarnych układu i charakteru jego dynamiki przy odchyleniach od nich. Metodę portretów fazowych wykorzystuje się w technologii do analizy i przewidywania zachowania układów fizycznych o różnym stopniu złożoności oraz w ekologii matematycznej do analizy dynamiki populacji (Volkenshtein, 1978; Svirezhev...

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

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_1.jpg" alt=">Główne typy przejść fazowych (klasyfikacja fizyczna)">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_2.jpg" alt=">Przejścia fazowe ze zmianą stanu wrzenia agregacji (kondensacja) ) topienie (krystalizacja) sublimacja"> 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. Alotropowe (polimorficzne) przejścia fazowe Polimorficzne przejścia fazowe występują tylko w solidnym kruszywach"> 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. Ferroelektryczne przejścia fazowe Znane są substancje, dla których w pewnych warunkach warunki, może jakieś"> 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. Magnetyczne przejścia fazowe Znana jest grupa substancji, które mają wysokie spontaniczne namagnesowanie 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. Ferroferromagnetyczne przejścia fazowe Znane są substancje, które, w określonych temperaturach obserwuje się porządek"> 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. Przejścia w stan nadprzewodzący Istota zjawiska nadprzewodnictwo jest tym, co elektryczne"> 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=">Chronologia narastania temperatury przejścia w stan nadprzewodzący Struktura układu nadprzewodnik wysokotemperaturowy HgBa2CuO4+δ">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_9.jpg" alt=">W temperaturze 2,19 K ciekły hel rozdziela się na dwie fazy - HeI i HeII."> 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=">Jak widać z rozważanych przykładów, mogą wystąpić bardzo różne rzeczy zachodzi w układzie termodynamicznym 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=">Termodynamiczna klasyfikacja przejść fazowych według Ehrenfesta">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_12.jpg" alt=">Pierwsze pochodne energii Gibbsa Drugie pochodne energii Gibbsa i wielkości fizyczne i związane z nimi wielkości fizyczne">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_13.jpg" alt=">Zmiany właściwości termodynamicznych podczas przejść fazowych pierwszego i drugiego rzędu">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_14.jpg" alt=">Termodynamiczna teoria przejść fazowych pierwszego rzędu Rozważmy pojedynczy -składnik (tj. składający się z pojedynczej substancji) heterogeniczny"> 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=">Dla każdej z r faz tego układu możemy zapisać odpowiednie wartości parametrów termodynamicznych"> 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=">Załóżmy dla uproszczenia, że ​​w naszym jednoskładnikowym układzie heterogenicznym tylko 2 fazy współistnieją."> 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=">Uzyskamy jawne wyrażenie dla tej zależności. Weźmy należy pamiętać, że w systemach jednoelementowych,"> 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 podstawie wyrażenia G=U+pV-TS, po różniczkowanie otrzymujemy: dG=dU+pdV+Vdp-TdS-SdT Weźmy pod uwagę wyrażenie"> 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=">Przemiana fazowa zachodzi w T,p=const i towarzyszy jej zmiana głośności z V1 na 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=">Zatem pomiędzy T i p istnieje połączenie funkcjonalne odpowiadające równowadze fazowej Dlatego jeśli"> 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=">Łącząc dwa ostatnie równania i oznaczając V2 -V1=ΔV ( różnica objętości molowych dwóch faz),"> 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=">Przejście między fazami skondensowanymi Do topienia (przejście faza krystaliczna - ciecz)"> 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=">Ciecz przejściowa - para (parowanie) Jeśli warunki przejścia fazowego (p, T) są dość dalekie od krytycznych"> 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=">Przejściowa faza krystaliczna - para (sublimacja) Równanie Clausiusa-Clapeyrona ma taki sam wygląd, ale"> 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=">Czasami równanie Clausiusa-Clapeyrona dla przejścia z fazy skondensowanej do fazy gazowej zapisuje się w postaci całkowej:"> 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=">Więc mamy mechanizm różnicowy (i w niektórych szczególnych przypadkach - i integralnie)"> 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=">Przekształcenia fazowe drugiego rodzaju zachodzą w kryształach podczas porządkowania wady punktowe (przy zmianie struktury"> 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=">Teoria Landaua zakłada, że ​​poszczególne fazy systemu różnią się od siebie inne właściwości fizyczne,"> 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.!}

PRZEJŚCIE FAZOWE, przemiana fazowa, w szerokim znaczeniu - przejście substancji z jednej fazy na inny, gdy zmieniają się warunki zewnętrzne - temperatura, ciśnienie, magnetyczne i elektryczne. pola itp.; w wąskim znaczeniu - nagła zmiana fizyczna. właściwości przy ciągłych zmianach parametrów zewnętrznych. Różnica między dwiema interpretacjami terminu „Ph. p.” można zobaczyć na poniższym przykładzie. W wąskim znaczeniu przejście substancji z fazy gazowej do fazy plazmowej (patrz. Osocze) nie jest F. p., ponieważ jonizacja gaz pojawia się stopniowo, ale w szerokim znaczeniu jest to F. p. W tym artykule termin „F. p.” postrzegane w wąskim znaczeniu.

Wartość temperatury, ciśnienia lub wartości. inne fizyczne Wartość, przy której następuje fazowanie, nazywana jest punktem przejścia.

Istnieją dwa typy F. p. W fizyce pierwszego rodzaju takie parametry termodynamiczne zmieniają się gwałtownie. cechy substancji, takie jak gęstość, stężenie składników; na jednostkę masy uwalniana lub pochłaniana jest bardzo określona ilość ciepła, tzw. ciepło przejścia. W przypadku F. drugiego rodzaju istnieje pewna fizyczność. wartość równa zero po jednej stronie punktu przejścia stopniowo rośnie (od zera) wraz z odległością od punktu przejścia na drugą stronę. W tym przypadku gęstość i stężenia zmieniają się w sposób ciągły, ciepło nie jest uwalniane ani pochłaniane.

F. p. jest zjawiskiem powszechnym w przyrodzie. Fizyka pierwszego rodzaju obejmuje na przykład: parowanie i kondensację, topienie i krzepnięcie, sublimację i kondensację do fazy stałej, pewne przejścia strukturalne w ciałach stałych. Edukacja martenzyt w stopie żelaza z węglem. W antyferromagnetyki przy jednej osi namagnesowania podsieci magnetycznych następuje przesunięcie fazowe typu I w zewnętrznym polu magnetycznym skierowanym wzdłuż osi. Przy określonej wartości pola momenty podsieci magnetycznych obracają się prostopadle do kierunku pola (następuje „przewrócenie się” podsieci). W czystych nadprzewodnikach pole magnetyczne powoduje zmianę fazową pierwszego rodzaju ze stanu nadprzewodzącego do stanu normalnego .

Na zero absolutne temperaturze i stałej objętości, faza o najniższej wartości energetycznej jest równowagą termodynamiczną. Fizyka pierwszego rodzaju w tym przypadku występuje przy tych wartościach ciśnienia i pól zewnętrznych, przy których porównuje się energie dwóch różnych faz. Jeśli nie naprawisz objętości ciała V, i ciśnienie R, następnie w stanie termodynamicznym. równowaga, minimalna to energia Gibbsa Ф (lub G), a w punkcie przejścia w równowadze fazowej znajdują się fazy o identycznych wartościach Ф .

Wiele substancji pod niskim ciśnieniem krystalizuje w luźno upakowane struktury. Na przykład krystaliczny wodór składa się z cząsteczek znajdujących się w stosunkowo dużych odległościach od siebie; Struktura grafit jest serią szeroko rozmieszczonych warstw atomów węgla. Przy wystarczająco wysokich ciśnieniach takim luźnym strukturom odpowiadają duże wartości energii Gibbsa. W tych warunkach równowagowe fazy gęsto upakowane odpowiadają mniejszym wartościom Ф. Dlatego pod wysokim ciśnieniem grafit przekształca się w diament, i molekularnie krystaliczne. wodór musi stać się atomowy (metaliczny). Ciecze kwantowe 3 He i 4 He pozostają płynne pod normalnym ciśnieniem aż do najniższych osiąganych temperatur (T ~ 0,001 K). Powodem tego jest słabe oddziaływanie cząstek i duża amplituda ich oscylacji w tempie bliskim absolutnym. zero (tzw. oscylacje zerowe ). Jednak wzrost ciśnienia (do 20 bankomat przy T = 0 K) prowadzi do zestalenia ciekłego helu. Przy niezerowej temp-pax oraz danym ciśnieniu i temperaturze faza o minimalnej energii Gibbsa jest nadal w równowadze (minimalna energia, od której odejmuje się pracę sił ciśnienia i ilość ciepła przekazanego układowi).

Fizyka pierwszego rodzaju charakteryzuje się istnieniem obszaru równowagi metastabilnej w pobliżu krzywej fizyki pierwszego rodzaju (na przykład ciecz można ogrzać do temperatury powyżej temperatury wrzenia lub przechłodzić poniżej temperatury zamarzania). Stany metastabilne istnieją dość długo, gdyż powstawanie nowej fazy o niższej wartości Ф (bardziej korzystnej termodynamicznie) rozpoczyna się wraz z pojawieniem się zarodków tej fazy. Przyrost wartości Ф podczas tworzenia jądra jest proporcjonalny do jego objętości, a strata jest proporcjonalna do pola powierzchni (wartość energia powierzchniowa). Powstające małe zarodki powiększają się F, i dlatego z przytłaczającym prawdopodobieństwem będą się zmniejszać i znikać. Jednakże jądra, które osiągnęły pewien rozmiar krytyczny, rosną, a cała substancja przechodzi w nową fazę. Tworzenie się zarodka ma kluczowe znaczenie. rozmiar jest procesem bardzo mało prawdopodobnym i występuje dość rzadko. Prawdopodobieństwo zarodkowania jest krytyczne. rozmiar wzrasta, jeśli substancja zawiera obce wtrącenia makroskopowe. rozmiary (na przykład cząsteczki kurzu w cieczy). Z bliska punkt krytyczny różnica faz równowagi i spadek energii powierzchniowej, łatwo tworzą się jądra o dużych rozmiarach i dziwnych kształtach, co wpływa na właściwości substancji .

Przykładami typów fazy II są pojawienie się (poniżej każdorazowo określonej temperatury) momentu magnetycznego w magnesie podczas przejścia paramagnetyczno-ferromagnetycznego, uporządkowanie antyferromagnetyczne podczas przejścia paramagnetyczno-ferromagnetycznego antyferromagnetyk, pojawienie się nadprzewodnictwa w metalach i stopach, pojawienie się nadciekłości w 4 He i 3 He, uporządkowanie stopów, pojawienie się spontanicznej polaryzacji materii podczas przejścia paraelektrycznego ferroelektryczny itp.

L.D. Lando(1937) zaproponował ogólną interpretację wszystkich faz drugiego rodzaju jako zmiany punktów symetrii: powyżej punktu przejścia układ ma wyższą symetrię niż poniżej punktu przejścia. Na przykład w magnesie powyżej punktu przejścia kierunek elementarnych momentów magnetycznych (kręci się) cząstki są rozmieszczone chaotycznie. Dlatego jednoczesny obrót wszystkich spinów nie zmienia fizyki. właściwości systemu. Poniżej punktu przejścia plecy mają preferowaną orientację. Ich jednoczesny obrót zmienia kierunek momentu magnetycznego układu. Inny przykład: w stopie dwuskładnikowym, którego atomy A i B zlokalizowane w węzłach prostego sześciennego sieci krystalicznej, stan nieuporządkowany charakteryzuje się chaotycznym rozmieszczeniem atomów A i B w miejscach sieci, tak że przesunięcie sieci o jeden okres nie zmienia jej właściwości. Poniżej punktu przejścia atomy stopu są ułożone w kolejności: ...ABAV... Przesunięcie takiej sieci o okres prowadzi do zastąpienia wszystkich atomów A przez B i odwrotnie. W wyniku ustanowienia porządku w układzie atomów symetria sieci maleje.

Sama symetria pojawia się i znika nagle. Jednakże wielkość charakteryzująca asymetrię (parametr porządku) może zmieniać się w sposób ciągły. Dla faz drugiego rodzaju parametr kolejności jest równy zero powyżej punktu przejścia i w samym punkcie przejścia. Na przykład moment magnetyczny ferromagnesu zachowuje się w podobny sposób. polaryzacja ferroelektryczna, gęstość składnika nadciekłego w cieczy 4 He, prawdopodobieństwo wykrycia atomu A w odpowiednim węźle krystalicznym. kraty ze stopów dwuskładnikowych itp.

Fizyka drugiego rodzaju charakteryzuje się brakiem skoków gęstości, stężenia i ciepła przejścia. Ale dokładnie ten sam obraz obserwuje się w krytycznym. punkt na krzywej funkcji fazowej pierwszego rodzaju . Podobieństwo okazuje się bardzo głębokie. Prawie krytyczny punkcie stan skupienia można scharakteryzować wielkością pełniącą rolę parametru porządkowego. Na przykład w przypadku krytycznym punkty na krzywej równowagi ciecz-para stanowią odchylenie gęstości od wartości średniej. Podczas jazdy w stanie krytycznym izochor po stronie wysokiej temperatury gaz jest jednorodny i wartość ta wynosi zero. Poniżej krytyczna temperatura substancja jest podzielona na dwie fazy, z których każda odchylenie gęstości od krytycznej nie jest równe zeru. Ponieważ fazy drugiego rodzaju niewiele różnią się od siebie w pobliżu punktu fazowego, możliwe jest tworzenie dużych jąder jednej fazy w drugiej (wahania), dokładnie taki sam jak prawie krytyczny. zwrotnica. Wiążą się z tym liczne uwagi krytyczne. zjawiska fazy II drugiego rodzaju: nieskończony wzrost podatności magnetycznej ferromagnetyków i stałej dielektrycznej ferroelektryków (analogią jest wzrost ściśliwości w pobliżu punktu krytycznego ciecz-para), nieskończony wzrost pojemności cieplnej, anomalne rozpraszanie fal elektromagnetycznych [światło w cieczy i parze , Promieniowanie rentgenowskie w ciałach stałych], neutrony w ferromagnetykach. Zjawiska dynamiczne również ulegają istotnym zmianom, co wiąże się z bardzo powolną resorpcją powstałych wahań. Na przykład prawie krytyczny temperatura cieczy i pary zawęża linię Rayleigha rozpraszanie światła, zamknąć punkty Curie ferromagnetyki i Punkty Neela Dyfuzja spinowa antyferromagnetyków spowalnia itp. śr. wielkość fluktuacji (promień korelacji) R wzrasta w miarę zbliżania się do punktu fazy II drugiego rodzaju i w tym momencie staje się nieskończenie duży.

Współczesne osiągnięcia teorii zjawisk fizycznych drugiego rodzaju i zjawisk krytycznych opierają się na hipotezie podobieństwa. Zakłada się, że jeśli się zgodzimy R na jednostkę miary długości i śr. wartość parametru kolejności komórki z krawędzią R- na jednostkę miary parametru porządku, wówczas cały wzór fluktuacji nie będzie zależał ani od bliskości punktu przejścia, ani od konkretnej substancji. Wszystko jest termodynamiczne. wielkości są funkcjami potęgowymi R. Wykładniki nazywane są wymiarami krytycznymi (wskaźnikami). Nie zależą one od konkretnej substancji i są determinowane jedynie charakterem parametru porządku. Przykładowo wymiary w punkcie Curie materiału izotropowego, którego parametrem porządku jest wektor namagnesowania, różnią się od wymiarów w punkcie krytycznym. punkt ciecz - para lub w punkcie Curie magnesu jednoosiowego, gdzie parametrem porządku jest wielkość skalarna.

W pobliżu punktu przejściowego równanie stanu ma charakterystyczny wygląd prawa odpowiadające stany. Na przykład prawie krytyczny punktowy stosunek cieczy do pary (p - p k) / (p l - p g) zależy tylko od (p - p k) / (p l - r g)* K. T(tutaj p - gęstość, p k - gęstość krytyczna, p l - gęstość cieczy, p g - gęstość gazu, R - ciśnienie, p.k - ciśnienie krytyczne, KT - izotermiczny ściśliwość), Ponadto rodzaj zależności przy odpowiednim doborze skali jest taki sam dla wszystkich cieczy .

W nauce teoretycznej poczyniono ogromne postępy. obliczenie krytyczne wymiary i równania stanu są dobrze zgodne z danymi eksperymentalnymi.

Dalszy rozwój teorii fizyki drugiego rodzaju wiąże się z wykorzystaniem metod kwantowej teorii pola, zwłaszcza metody grup renormalizacyjnych. Metoda ta pozwala w zasadzie znaleźć wskaźniki krytyczne z dowolną wymaganą dokładnością.

Podział fizyki na dwa typy jest nieco arbitralny, ponieważ istnieją fizyki pierwszego rodzaju z małymi skokami pojemności cieplnej i innych wielkości oraz małymi ciepłami przejścia z silnie rozwiniętymi wahaniami. Zjawisko fizyczne to zjawisko zbiorowe, które występuje przy ściśle określonych wartościach temperatury i innych wielkości tylko w układzie, który ma w granicy dowolnie dużą liczbę cząstek.

Dosł.: Landau L. D., Lifshits E. M., Statistical Physics, wyd. 2, M., 1964 (Fizyka teoretyczna, tom 5); Landau L. D., Akhiezer A. I., Lifshits E. M., Kurs fizyki ogólnej. Mechanika i fizyka molekularna, wyd. 2, M., 1969; Brayt R., Przejścia fazowe, przeł. z języka angielskiego, M., 1967;Fisher M., Natura stanu krytycznego, przeł. z języka angielskiego, M., 1968; Stanley G., Przejścia fazowe i zjawiska krytyczne, przeł. z języka angielskiego, M., 1973; Anisimov M.A., Badania zjawisk krytycznych w cieczach, „Postępy w naukach fizycznych”, 1974, t. 114, t. 2; Patashinsky A. Z., Pokrovsky V. L., Teoria fluktuacji przejść fazowych, M., 1975; Kwantowa teoria pola i fizyka przejść fazowych, przeł. z języka angielskiego, M., 1975 (Wiadomości z fizyki fundamentalnej, nr 6); Wilson K., Kogut J., Grupa renormalizacji i s-ekspansja, przeł. z języka angielskiego, M., 1975 (News of fundamentalphysics, t. 5).

W. L. Pokrowski.

Na podstawie materiałów TSB.

Belousova Julia, Koban Anastazja

W pracy opisano przejścia fazowe materii. Równowaga fazowa. Topienie, krystalizacja, parowanie, kondensacja.

Pobierać:

Zapowiedź:

Aby skorzystać z podglądu prezentacji utwórz konto Google i zaloguj się na nie: https://accounts.google.com

Podpisy slajdów:

Prace badawcze z fizyki: Przejścia fazowe materii

Plan: Przedmiot i przedmiot pracy Trafność badania Cel i zadania badania Zapoznanie się ze wstępnymi informacjami o przejściach fazowych Rodzaje przejść fazowych Równowaga fazowa Procesy w przejściach fazowych Zakończenie

Dziedzina przedmiotowa Fizyka jest nauką o wszechświecie, która pozwala nam rozważyć i zrozumieć otaczające nas procesy we wszystkich ich subtelnościach. „Najpiękniejszą rzeczą, jakiej możemy doświadczyć, jest to, co niezrozumiałe. Służy jako źródło prawdziwej sztuki i nauki.” Albert Einstein.

Przedmiot badań Jako przedmiot badań w tym obszarze rozważymy proces przejścia fazowego substancji.

Trafność tematu Temat ten jest interesujący i istotny, ponieważ w ostatnich latach powszechnie znane jest szerokie zastosowanie przejść fazowych w różnych dziedzinach nauki i technologii. Przejścia fazowe można zaliczyć do najbardziej praktycznych zastosowań zjawisk fizycznych, co tłumaczy się tym, że przejścia fazowe są: Często stosowane w patentach i rozwiązaniach praktycznych.

Cel pracy: Zapoznanie się z podstawowymi pojęciami współczesnej nauki dotyczącymi różnych typów równowag fazowych oraz cech fizycznych procesów przejścia materii z jednej fazy do drugiej.

Cele: Rozważenie koncepcji przejścia fazowego; Identyfikacja rodzajów przejść fazowych i głównych cech; Uwzględnienie równowagi fazowej; Ustalenie różnych procesów przemian fazowych

Pojęcie przejścia fazowego Przejście fazowe, przemiana fazowa, w szerokim znaczeniu, to przejście substancji z jednej fazy do drugiej, gdy zmieniają się warunki zewnętrzne - temperatura, ciśnienie, pola magnetyczne i elektryczne itp. W wąskim znaczeniu jest to nagła zmiana właściwości fizycznych przy ciągłej zmianie parametrów zewnętrznych.

Rodzaje przejść fazowych Przejścia fazowe dzielą się na typy I i II.Zmiany stanów agregatowych substancji nazywane są przejściami fazowymi pierwszego rzędu, jeśli: 1) Temperatura jest stała podczas całego przejścia. 2) Zmienia się głośność systemu. 3) Entropia układu się zmienia. Przejścia fazowe drugiego rzędu to przejścia fazowe, w których pierwsze pochodne potencjałów termodynamicznych względem ciśnienia i temperatury zmieniają się w sposób ciągły, natomiast ich drugie pochodne ulegają skokowi. Wynika z tego w szczególności, że energia i objętość substancji podczas przejścia fazowego drugiego rzędu nie zmieniają się, ale zmienia się jej pojemność cieplna, ściśliwość, różne podatności itp.

Przejścia fazowego diagramu fazowego przedstawiające granice pierwszego i drugiego rzędu fazy ciekłej i gazowej

Równowaga fazowa Warunek równowagi fazowej można wyprowadzić z twierdzeń termodynamiki. Gdy układ jest w równowadze, temperatury i ciśnienia we wszystkich jego fazach są takie same. Jeśli utrzymają się na stałym poziomie, potencjał termodynamiczny układu może się jedynie zmniejszać. W stanie równowagi przyjmuje wartość minimalną. Niech m 1 będzie masą pierwszej fazy, a m 2 masą drugiej fazy.  1 i  2 to specyficzne potencjały termodynamiczne substancji w tych fazach. Potencjał termodynamiczny całego układu przedstawia się jako Ф = m 1  1 + m 2  2. Jeżeli  1   2, to każdej przemianie fazy 1 w fazę 2 towarzyszy spadek Ф. Przemiana ta nastąpi aż cała faza 1 przejdzie w bardziej stabilną fazę 2. Wtedy układ stanie się jednofazowy, a jego potencjał termodynamiczny osiągnie minimalną wartość m  2. I odwrotnie, jeśli  1   2, to faza 2 ostatecznie przejdzie w fazę 1. Tylko pod warunkiem  1 (P, T) =  2 (P, T) (1) Fazy będą w równowadze z nawzajem. Zatem warunkiem równowagi fazowej jest równość ich właściwych potencjałów termodynamicznych.

Schemat równowagi fazowej dwutlenku węgla:

Znaczenie warunku (1) jest takie, że podczas dowolnych przemian fazowych wartość określonego potencjału termodynamicznego pozostaje niezmieniona. Zatem przy wszystkich zmianach stanu substancji jej specyficzny potencjał termodynamiczny zawsze zmienia się w sposób ciągły

Procesy przemian fazowych Rozważ: Parowanie i kondensację Topienie i krystalizacja Wrzenie i przegrzanie cieczy

Parowanie i kondensacja Przejście cieczy w stan gazowy nazywa się parowaniem, przejście ciała stałego w stan gazowy nazywa się sublimacją. Ciepło, które należy przekazać jednostkowej masie substancji, aby zamieniła się ona w parę o tej samej temperaturze, jaką miała substancja przed odparowaniem, nazywa się ciepłem właściwym parowania. Podczas kondensacji ciepło utracone podczas parowania jest oddawane z powrotem: ciecz powstająca podczas kondensacji nagrzewa się. Parę znajdującą się w równowadze z cieczą nazywa się nasyconą. Ciśnienie, przy którym zachodzi równowaga, nazywa się ciśnieniem pary nasyconej.

Parowanie niektórych cieczy Parowanie niektórych rodzajów cieczy na schemacie

Topienie i krystalizacja Przejście ciała krystalicznego w stan ciekły następuje w temperaturze właściwej dla każdej substancji i wymaga wydatku określonej ilości ciepła, zwanego ciepłem topnienia. Temperatura topnienia zależy od ciśnienia. Zatem przejście ze stanu krystalicznego do ciekłego następuje w bardzo specyficznych warunkach, charakteryzujących się wartościami ciśnienia i temperatury. Zbiór tych wartości odpowiada krzywej na wykresie (p, T), którą zwykle nazywa się krzywą topnienia

Proces krystalizacji, odwrotny do topnienia, przebiega w następujący sposób. Gdy ciecz zostanie schłodzona do temperatury, w której faza stała i ciekła mogą przy danym ciśnieniu znajdować się w równowadze (czyli do tej samej temperatury, w której nastąpiło topienie), rozpoczyna się równoczesny wzrost kryształów wokół tzw. jąder lub krystalizacja centra. Rosnące coraz bardziej, poszczególne kryształy ostatecznie zamykają się razem, tworząc polikrystaliczne ciało stałe. Procesowi krystalizacji towarzyszy wydzielenie takiej samej ilości ciepła, jaka jest absorbowana podczas topienia.

Topienie

Schemat: Topienie-krystalizacja

Wrzenie i przegrzanie cieczy Jeżeli ciecz w naczyniu jest podgrzewana pod stałym ciśnieniem zewnętrznym od swobodnej powierzchni cieczy. Ten proces tworzenia pary nazywa się parowaniem. Po osiągnięciu określonej temperatury, zwanej temperaturą wrzenia, zaczyna się tworzyć para nie tylko ze swobodnej powierzchni, pęcherzyki pary rosną i unoszą się na powierzchnię, niosąc ze sobą samą ciecz. Proces parowania staje się gwałtowny. Zjawisko to nazywa się wrzeniem. Wodę przegrzaną można otrzymać np. w kolbie kwarcowej o gładkich ściankach. Kolbę dokładnie przepłucz najpierw kwasem siarkowym, azotowym lub innym kwasem, a następnie wodą destylowaną. Do umytej kolby wlewa się wodę destylowaną, z której rozpuszczone w niej powietrze usuwa się poprzez długotrwałe gotowanie. Następnie wodę w kolbie można podgrzać na palniku gazowym do temperatury znacznie wyższej od temperatury wrzenia, a mimo to nie zagotuje się, a jedynie intensywnie odparuje z wolnej powierzchni. Tylko sporadycznie na dnie kolby tworzy się pęcherzyk pary, który szybko rośnie, oddziela się od dna i unosi się na powierzchnię cieczy, a jego wielkość znacznie wzrasta wraz ze wzrostem. Wtedy woda pozostaje spokojna przez długi czas. Jeśli do takiej wody wrzuci się gazowy zarazek, na przykład przez wrzucenie szczypty herbaty, nastąpi gwałtowne wrzenie, a jej temperatura szybko spadnie do temperatury wrzenia. To skuteczne doświadczenie jest wybuchowe.

Wrzenie Temperatura wody przy wrzeniu jąder

Wniosek Praca ta pozwoliła dowiedzieć się więcej o procesach zachodzących, gdy jeden stan substancji przechodzi w drugi, jakie cechy ma każda z faz i stanów. Widząc zachodzące wokół nas procesy, możemy łatwo stwierdzić, jak to się dzieje, znając jedynie podstawową teorię. Dlatego fizyka pomaga nam poznać większość praw nauk przyrodniczych, które pomogą nam w przyszłości.

Pojęcie faza w termodynamice są one rozpatrywane w szerszym znaczeniu niż stany agregacji. Według faza w termodynamice rozumiemy termodynamiczny stan równowagi substancji, który różni się właściwościami fizycznymi od innych możliwych stanów równowagi tej samej substancji. Czasami nierównowagowy stan metastabilny substancji nazywany jest również fazą, ale metastabilny. Fazy ​​substancji mogą różnić się charakterem ruchu cząstek strukturalnych oraz obecnością lub brakiem uporządkowanej struktury. Różne fazy krystaliczne mogą różnić się między sobą rodzajem struktury krystalicznej, przewodnością elektryczną, właściwościami elektrycznymi i magnetycznymi itp. Fazy ciekłe różnią się między sobą stężeniem składników, obecnością lub brakiem nadprzewodnictwa itp.

Przejście substancji z jednej fazy do drugiej nazywa się przejście fazowe . Przejścia fazowe obejmują zjawiska odparowania i topnienia, kondensacji i krystalizacji itp. W układzie dwufazowym fazy znajdują się w równowadze w tej samej temperaturze. Wraz ze wzrostem objętości część cieczy zamienia się w parę, jednak aby utrzymać stałą temperaturę, konieczne jest przekazanie pewnej ilości ciepła z zewnątrz. Aby zatem doszło do przejścia z fazy ciekłej do gazowej, konieczne jest przekazanie ciepła bez zmiany temperatury układu. Ciepło to zmienia stan fazowy substancji i nazywa się to ciepłem ciepło przemiany fazowej lub ciepło utajone przemiany . Wraz ze wzrostem temperatury utajone ciepło przejścia stałej masy substancji maleje i w temperaturze krytycznej wynosi zero. Aby scharakteryzować przejście fazowe, wykorzystuje się ciepło właściwe przejścia fazowego. Ciepło właściwe przejścia fazowego jest ilością ciepła utajonego na jednostkę masy substancji.

Nazywa się przejścia fazowe z absorpcją lub uwolnieniem utajonego ciepła przejścia przejścia fazowe pierwszego rzędu . W tym przypadku energia wewnętrzna i gęstość zmieniają się gwałtownie. Przechodząc od stanu bardziej uporządkowanego do stanu mniej uporządkowanego, entropia wzrasta. Tabela pokazuje przejścia fazowe pierwszego rzędu i ich główne cechy.

Tabela. Przejścia fazowe pierwszego radu i ich główne cechy .

Z Istnieje związek pomiędzy ciśnieniem, przy którym układ dwufazowy znajduje się w równowadze, a temperaturą podczas przejść fazowych pierwszego rzędu. To połączenie zostało opisane . Rozważmy wyprowadzenie tego równania dla układów zamkniętych. Jeżeli liczba cząstek w układzie jest stała, to zmianę energii wewnętrznej, zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki, określa się za pomocą wyrażenia: . Równowaga między fazami nastąpi pod warunkiem, że T 1 = T 2 i P 1 = P 2. Rozważmy nieskończenie mały, odwracalny cykl Carnota (ryc. 6.8), którego izotermy odpowiadają stanowi układu dwufazowego w temperaturach T i dT. Ponieważ parametry stanu zmieniają się nieskończenie mało, izotermy i adiabaty na ryc. 6.8 pokazano liniami prostymi. Ciśnienie w takim cyklu zmienia się o wielkość dP. Działanie układu na cykl określa wzór:
. Załóżmy, że cykl jest realizowany dla układu, którego masa materii jest równa jedności. Efektywność takiego elementarnego cyklu Carnota można określić za pomocą wzorów:
Lub
, Gdzie L P– ciepło właściwe parowania. Zrównując prawe strony tych równości i zastępując wyrażenie pracy poprzez ciśnienie i objętość, otrzymujemy:
. Powiążmy zmianę ciśnienia ze zmianą temperatury i otrzymamy:

(6.23)

Równanie (6.23) nazywa się Równanie Clapeyrona-Clausiusa . Analizując to równanie, możemy stwierdzić, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta ciśnienie. Wynika to z faktu, że
, i dlatego
.

Równanie Clapeyrona – Clausiusa ma zastosowanie nie tylko do przejścia ciecz-para. Dotyczy to wszystkich przejść pierwszego rzędu. Ogólnie można to zapisać w następujący sposób:

(6.24)

Korzystając z równania Clapeyrona – Clausiusa, możemy przedstawić diagram stanu układu we współrzędnych P, T (rys. 6.9). Na tym schemacie krzywa 1 jest krzywą sublimacji. Odpowiada stanowi równowagi dwóch faz: stałej i pary. Punkty leżące na lewo od tej krzywej charakteryzują jednofazowy stan stały. Punkty po prawej stronie charakteryzują stan pary. Krzywa 2 – krzywa topnienia. Odpowiada stanowi równowagi dwóch faz: stałej i ciekłej. Punkty leżące na lewo od tej krzywej charakteryzują jednofazowy stan stały. Punkty leżące na prawo od niego aż do krzywej 3 charakteryzują stan ciekły. Krzywa 3 – krzywa parowania. Odpowiada stanowi równowagi dwóch faz: cieczy i pary. Punkty leżące na lewo od tej krzywej charakteryzują jednofazowy stan ciekły. Punkty po prawej stronie charakteryzują stan pary. Krzywa 3, w przeciwieństwie do krzywych 1 i 2, jest ograniczona po obu stronach. Z jednej strony - potrójna kropka Tr, z drugiej strony - punkt krytyczny K (ryc. 6.9). Potrójny punkt opisuje stan równowagi trzech faz jednocześnie: ciała stałego, cieczy i pary.