Fázové přechody: hlavní typy fázových přechodů (fyzikální klasifikace). Fázové přechody látek Stáhněte si tabulku teplot chemie fázových přechodů

FÁZOVÝ PŘECHOD, fázová přeměna, v širokém smyslu - přechod látky z jedn fáze k jinému při změně vnějších podmínek – teploty, tlaku, magnetických a elektrických. pole atd.; v užším smyslu – náhlá změna fys. vlastnosti s neustálými změnami vnějších parametrů. Rozdíl mezi dvěma výklady termínu "Ph. p." lze vidět z následujícího příkladu. V užším slova smyslu přechod látky z plynné fáze do plazmové fáze (viz. Plazma) není F. p., jelikož ionizace plyn se vyskytuje postupně, ale v širokém smyslu je to F. p. V tomto článku je termín „F. p.“ nahlíženo v užším smyslu.

Hodnota teploty, tlaku nebo hodnoty. jiné fyzické Hodnota, při které dochází k fázování, se nazývá přechodový bod.

Existují dva typy F. p. S fyzikou prvního druhu se takové termodynamické parametry náhle mění. vlastnosti látky, jako je hustota, koncentrace složek; na jednotku hmotnosti se uvolňuje nebo absorbuje velmi určité množství tepla, tzv. teplo přechodu. U F. druhého druhu existuje určitá fyzická. hodnota rovna nule na jedné straně bodu přechodu se postupně zvyšuje (od nuly) se vzdáleností od bodu přechodu k druhé straně. V tomto případě se hustota a koncentrace neustále mění, teplo se neuvolňuje ani neabsorbuje.

F. p. je v přírodě rozšířený jev. Fyzika prvního druhu zahrnuje: vypařování a kondenzaci, tání a tuhnutí, sublimaci a kondenzaci do pevné fáze, například určité strukturální přechody v pevných látkách. vzdělání martenzit ve slitině železo-uhlík. V antiferomagnetika s jednou osou magnetizace magnetických podmřížek dochází k fázovému posunu typu I ve vnějším magnetickém poli směrovaném podél osy. Při určité hodnotě pole se momenty magnetických podmřížek otáčejí kolmo ke směru pole (dochází k „převrácení podmřížek“). U čistých supravodičů způsobuje magnetické pole fázovou změnu prvního druhu ze supravodivého stavu do normálního stavu .

Na absolutní nula teplotě a pevném objemu je fáze s nejnižší energetickou hodnotou termodynamicky rovnovážná. Fyzika prvního druhu se v tomto případě vyskytuje při těch hodnotách tlaku a vnějších polí, při kterých se porovnávají energie dvou různých fází. Pokud nezafixujete objem těla PROTI, a tlak R, pak v termodynamickém stavu. v rovnováze, minimum je Gibbsova energie Ф (nebo G) a v bodě přechodu ve fázové rovnováze jsou fáze se stejnými hodnotami Ф .

Mnoho látek při nízkých tlacích krystalizuje do volně zabalených struktur. Například krystalický vodík sestává z molekul umístěných v relativně velkých vzdálenostech od sebe; struktura grafit je řada široce rozmístěných vrstev atomů uhlíku. Při dostatečně vysokých tlacích takové volné struktury odpovídají velkým hodnotám Gibbsovy energie. Za těchto podmínek odpovídají rovnovážné těsně uzavřené fáze menším hodnotám Ф. Proto se při vysokých tlacích grafit přeměňuje na diamant, a molekulárně krystalické. vodík se musí stát atomárním (kovovým). Kvantové kapaliny 3 He a 4 He zůstávají kapalné za normálního tlaku až do nejnižších dosažených teplot (T ~ 0,001 K). Důvodem je slabá interakce částic a velká amplituda jejich oscilací při tempo-pax blízko absolutní. nula (takzvané nulové oscilace ). Nicméně zvýšení tlaku (až o 20 bankomat při T = 0 K) vede k tuhnutí kapalného helia. Při nenulové temp-pax a daném tlaku a teplotě je fáze s minimální Gibbsovou energií stále v rovnováze (minimální energie, od které se odečítá práce tlakových sil a množství tepla předávaného systému).

Fyzika prvního druhu je charakterizována existencí oblasti metastabilní rovnováhy poblíž křivky fyziky prvního druhu (např. kapalina může být zahřátá na teplotu nad bod varu nebo podchlazená pod bod mrazu). Metastabilní stavy existují poměrně dlouho z toho důvodu, že vznik nové fáze s nižší hodnotou Ф (termodynamicky výhodnější) začíná vznikem zárodků této fáze. Zisk hodnoty Ф při tvorbě jádra je úměrný jeho objemu a ztráta je úměrná ploše povrchu (hodnota povrchová energie). Vzniklá malá embrya přibývají F, a proto se s drtivou pravděpodobností budou zmenšovat a mizet. Avšak jádra, která dosáhla určité kritické velikosti, rostou a celá látka přechází do nové fáze. Tvorba embrya je kritická. velikost je velmi nepravděpodobný proces a vyskytuje se poměrně zřídka. Pravděpodobnost nukleace je kritická. velikost se zvyšuje, pokud látka obsahuje cizí makroskopické inkluze. velikosti (například prachové částice v kapalině). Zblízka kritický bod rozdíl mezi rovnovážnými fázemi a povrchovou energií se zmenšuje, snadno se tvoří jádra velkých rozměrů a bizarních tvarů, což ovlivňuje vlastnosti látky .

Příklady typů fáze II jsou výskyt (pod teplotou stanovenou v každém případě) magnetického momentu v magnetu během paramagneticko-feromagnetického přechodu, antiferomagnetické uspořádání během paramagneticko-feromagnetického přechodu antiferomagnet, vznik supravodivosti v kovech a slitinách, vznik supratekutosti v 4 He a 3 He, uspořádání slitin, vznik spontánní polarizace hmoty při paraelektrickém přechodu feroelektrický atd.

L.D. Landau(1937) navrhl obecnou interpretaci všech fází druhého druhu jako bodů změny symetrie: nad bodem přechodu má systém vyšší symetrii než pod bodem přechodu. Například v magnetu, nad bodem přechodu, směr elementárních magnetických momentů (točí se)částice jsou rozmístěny chaoticky. Proto současné otáčení všech spinů nemění fyziku. vlastnosti systému. Pod bodem přechodu mají zadní strany preferovanou orientaci. Jejich současná rotace mění směr magnetického momentu soustavy. Jiný příklad: ve dvousložkové slitině, jejíž atomy A a B umístěný v uzlech jednoduché krychle krystalová mřížka, neuspořádaný stav je charakterizován chaotickou distribucí atomů A a B na místech mřížky, takže posun mřížky o jednu periodu nemění její vlastnosti. Pod bodem přechodu jsou atomy slitiny uspořádány v pořadí: ...ABAV... Posun takové mřížky o periodu vede k nahrazení všech atomů A atomy B nebo naopak. V důsledku nastolení řádu v uspořádání atomů se symetrie mřížky zmenšuje.

Sama symetrie se objevuje a náhle mizí. Veličina charakterizující asymetrii (parametr objednávky) se však může plynule měnit. Pro fáze druhého druhu je parametr řádu roven nule nad bodem přechodu a v samotném bodu přechodu. Podobně se chová například magnetický moment feromagnetika. feroelektrická polarizace, hustota supratekuté složky v kapalině 4 He, pravděpodobnost detekce atomu A v odpovídajícím krystalickém uzlu. dvousložkové slitinové mřížky atd.

Fyzika druhého druhu se vyznačuje absencí skoků v hustotě, koncentraci a přechodovém teplu. Ale přesně stejný obrázek je pozorován v kritickém. bod na křivce fázové funkce prvního druhu . Ukazuje se, že podobnost je velmi hluboká. Téměř kritické bodu, stav hmoty lze charakterizovat veličinou, která hraje roli parametru řádu. Například v případě kritického stavu body na křivce rovnováhy kapalina-pára jsou odchylkou hustoty od průměrné hodnoty. Při kritické jízdě izochora na straně vysoké teploty je plyn homogenní a tato hodnota je nulová. Níže kritická teplota látka je stratifikována do dvou fází, v každé z nich není odchylka hustoty od kritické rovna nule. Vzhledem k tomu, že fáze druhého druhu se od sebe v blízkosti fázového bodu jen málo liší, je možná tvorba velkých jader jedné fáze v druhé. (kolísání), přesně stejné jako téměř kritické. body. S tím je spojena řada kritik. jevy během fáze II druhého druhu: nekonečné zvýšení magnetické susceptibility feromagnetik a dielektrické konstanty feroelektrik (analogem je zvýšení stlačitelnosti v blízkosti kritického bodu kapalina-pára), nekonečný nárůst tepelné kapacity, anomální rozptyl elektromagnetických vln [světlo v kapalině a páře , Rentgenové záření v pevných látkách], neutrony ve feromagnetikách. Výrazně se mění i dynamické jevy, s čímž souvisí velmi pomalá resorpce vzniklých výkyvů. Například téměř kritické bod kapalina-pára zužuje Rayleighovu linii rozptyl světla, zavřít Curie body feromagnetika a Neel body antiferomagnetika spinová difúze se zpomaluje atd. St. velikost fluktuace (korelační poloměr) R se zvyšuje, když se blíží k bodu fáze II druhého druhu a v tomto bodě se stává nekonečně velkým.

Moderní výdobytky teorie fyzikálních jevů druhého druhu a kritických jevů jsou založeny na hypotéze podobnosti. Předpokládá se, že pokud přijmeme R na jednotku měření délky a prům. hodnota parametru pořadí buňky s okrajem R- na jednotku měření parametru řádu, pak celý vzorec fluktuace nebude záviset ani na blízkosti k bodu přechodu, ani na konkrétní látce. Vše je termodynamické. veličiny jsou mocenské funkce R. Exponenty se nazývají kritické dimenze (indexy). Nejsou závislé na konkrétní látce a jsou určeny pouze povahou parametru objednávky. Například rozměry v Curieově bodě izotropního materiálu, jehož parametrem řádu je vektor magnetizace, se liší od rozměrů v kritickém bodě. bod kapalina - pára nebo v Curieově bodě jednoosého magnetu, kde parametrem řádu je skalární veličina.

Blízko bodu přechodu stavová rovnice má charakteristický vzhled zákona odpovídající stavy. Například téměř kritické bodový poměr kapalina-pára (p - p k) / (p l - p g) závisí pouze na (p - p k) / (p l - r g)* K T(zde p - hustota, p k - kritická hustota, p l - hustota kapaliny, p g - hustota plynu, R - tlak, p k - kritický tlak, K T - izotermický stlačitelnost), Navíc typ závislosti s vhodnou volbou stupnice je stejný pro všechny kapaliny .

V teoretické vědě bylo dosaženo velkého pokroku. výpočet kritických rozměry a stavové rovnice jsou v dobré shodě s experimentálními daty.

Další rozvoj teorie fyziky druhého druhu je spojen s využitím metod kvantové teorie pole, zejména metody renormalizačních grup. Tato metoda v zásadě umožňuje najít kritické indexy s jakoukoli požadovanou přesností.

Rozdělení fyziky na dva typy je poněkud libovolné, protože existují fyziky prvního druhu s malými skoky v tepelné kapacitě a jiných veličinách a malá přechodová tepla s vysoce rozvinutými fluktuacemi. Fyzikální jev je souhrnný jev, který se vyskytuje při přesně definovaných hodnotách teploty a jiných veličin pouze v systému, který má v limitu libovolně velký počet částic.

Lit.: Landau L. D., Lifshits E. M., Statistická fyzika, 2. vyd., M., 1964 (Theoretical Physics, sv. 5); Landau L. D., Akhiezer A. I., Lifshits E. M., Kurz obecné fyziky. Mechanika a molekulová fyzika, 2. vyd., M., 1969; Brayt R., Fázové přechody, přel. z angličtiny, M., 1967;Fisher M., Povaha kritického stavu, přel. z angličtiny, M., 1968; Stanley G., Fázové přechody a kritické jevy, přel. z angličtiny, M., 1973; Anisimov M.A., Studium kritických jevů v kapalinách, „Pokroky ve fyzikálních vědách“, 1974, v. 114, v. 2; Patashinsky A. Z., Pokrovsky V. L., Fluktuační teorie fázových přechodů, M., 1975; Kvantová teorie pole a fyzika fázových přechodů, přel. z angličtiny, M., 1975 (Novinky z fundamentální fyziky, číslo 6); Wilson K., Kogut J., Renormalizační skupina a s-expanze, přel. z angličtiny, M., 1975 (Novinky z fundamentální fyziky, v. 5).

V. L. Pokrovského.

Na základě materiálů TSB.

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

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_1.jpg" alt=">Hlavní typy fázových přechodů (fyzická klasifikace)">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_2.jpg" alt=">Fázové přechody se změnou stavu agregačního varu (kondenzace ) tavení (krystalizace) sublimace"> 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. Alotropní (polymorfní) fázové přechody Polymorfní fázové přechody se vyskytují pouze v pevném agregátu"> 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. Feroelektrické fázové přechody Látky, pro které jsou za určitých podmínek podmínky možná nějaké"> 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. Magnetické fázové přechody Je známá skupina látek, které mají vysoká spontánní magnetizace 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-feromagnetické fázové přechody Jsou známé látky, které, při určitých teplotách se dodržuje řazení"> 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. Přechody do supravodivého stavu Podstata jevu tzv. supravodivost je to, co je elektrické"> 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=">Chronologie rostoucí teploty přechodu do supravodivého stavu Struktura vysokoteplotní supravodič HgBa2CuO4+δ">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_9.jpg" alt=">Při teplotě 2,19 K se kapalné helium rozdělí na dvě fáze - HeI a 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 je vidět z uvažovaných příkladů, velmi odlišné věci mohou být se dějí v termodynamickém systému 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=">Termodynamická klasifikace fázových přechodů podle Ehrenfesta">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_12.jpg" alt=">První derivace Gibbsovy energie Druhé derivace Gibbsovy energie a fyzikální veličiny, s nimi související">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_13.jpg" alt=">Změny termodynamických vlastností při fázových přechodech prvního a druhého řádu">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_14.jpg" alt=">Termodynamická teorie fázových přechodů prvního řádu Uvažujme jeden -složka (tj. sestávající z jednotlivé látky) heterogenní"> 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=">Pro každou z r fází tohoto systému můžeme zapsat odpovídající hodnoty termodynamických parametrů"> 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=">Pro zjednodušení předpokládejme, že v našem jednosložkovém heterogenním systému pouze 2 souběžné fáze."> 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=">Získáme explicitní výraz pro tuto závislost. Vezměme vzít v úvahu, že v jednosložkových systémech,"> 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 základě výrazu G=U+pV-TS, po dostaneme derivaci: dG=dU+pdV+Vdp-TdS-SdT. Vezměme v úvahu výraz"> 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=">Fázová transformace nastává v T,p=const a je doprovázena změna objemu 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=">Mezi T a p tedy funkční spojení odpovídající fázové rovnováze Proto, pokud"> 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=">Spojení posledních dvou rovnic a označení V2 -V1=ΔV ( rozdíl molárních objemů dvou fází),"> 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=">Přechod mezi kondenzovanými fázemi Pro tavení (přechod krystalická fáze - kapalina)"> 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=">Přechodová kapalina - pára (odpařování) Jsou-li podmínky fázového přechodu (p ,T) jsou dost daleko od kritických"> 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=">Přechodná krystalická fáze - pára (sublimace) Clausiova-Clapeyronova rovnice má stejný vzhled, 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=">Někdy Clausius-Clapeyronova rovnice pro přechod z kondenzované fáze do plynné fáze se zapisuje v integrálním tvaru:"> 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=">Takže jsme se dostali do diferenciálu (a pro některé speciální případy - a v integrálu)"> 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=">Fázové přeměny druhého druhu se vyskytují v krystalech během řazení bodové vady (při změně 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=">Landauova teorie předpokládá, že jednotlivé fáze systému se od každého liší další fyzikální vlastnosti,"> 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.!}

Belousovová Julia, Koban Anastasia

Práce popisuje fázové přechody hmoty. Fázová rovnováha. Tání, krystalizace, odpařování, kondenzace.

Stažení:

Náhled:

Chcete-li používat náhledy prezentací, vytvořte si účet Google a přihlaste se k němu: https://accounts.google.com

Popisky snímků:

Výzkumná práce ve fyzice: Fázové přechody hmoty

Plán: Objekt oblast a předmět práce Relevance studie Účel a cíle studie Seznámení s výchozími informacemi o fázových přechodech Typy fázových přechodů Fázová rovnováha Procesy ve fázových přechodech Závěr

Objektová doména Fyzika je věda o vesmíru, která nám umožňuje uvažovat a chápat procesy, které nás obklopují, ve všech jejich jemnostech. „To nejkrásnější, co můžeme zažít, je nepochopitelné. Slouží jako zdroj skutečného umění a vědy.“ Albert Einstein.

Předmět studia Za předmět studia v této oblasti budeme uvažovat proces fázového přechodu látky.

Relevance tématu Toto téma je zajímavé a relevantní, protože v posledních letech je široce známé rozšířené používání fázových přechodů v různých oblastech vědy a techniky. Fázové přechody lze klasifikovat jako nejpraktičtější aplikace fyzikálních jevů.To je vysvětleno skutečností, že fázové přechody jsou: Často používané v patentech a praktických řešeních.

Cíl práce: Seznámit se se základními pojmy moderní vědy o různých typech fázových rovnováh a fyzikálních rysech procesů přechodu hmoty z jedné fáze do druhé.

Cíle: Úvaha o konceptu fázového přechodu; Identifikace typů fázového přechodu a hlavních charakteristik; Úvaha o fázové rovnováze; Stanovení různých procesů fázového přechodu

Pojem fázového přechodu Fázový přechod, fázová transformace, v širokém slova smyslu, je přechod látky z jedné fáze do druhé při změně vnějších podmínek – teploty, tlaku, magnetického a elektrického pole atd. V užším smyslu jde o náhlou změnu fyzikálních vlastností s plynulou změnou vnějších parametrů.

Typy fázových přechodů Fázové přechody se dělí na typ I a II Změny agregovaných stavů látky se nazývají fázové přechody prvního řádu, pokud: 1) Teplota je konstantní po celou dobu přechodu. 2) Mění se hlasitost systému. 3) Mění se entropie systému. Fázové přechody druhého řádu jsou fázové přechody, ve kterých se první derivace termodynamických potenciálů s ohledem na tlak a teplotu plynule mění, zatímco jejich druhé derivace zažívají skok. Z toho zejména vyplývá, že energie a objem látky při fázovém přechodu druhého řádu se nemění, ale mění se její tepelná kapacita, stlačitelnost, různé susceptibility atd.

Přechody fázového diagramu zobrazující hranice prvního a druhého řádu kapalné a plynné fáze

Fázová rovnováha Podmínku pro fázovou rovnováhu lze získat z termodynamických vět. Když je systém v rovnováze, jsou teploty a tlaky všech jeho fází stejné. Pokud jsou udržovány konstantní, pak se termodynamický potenciál systému může pouze snižovat. V rovnováze nabývá minimální hodnoty. Nechť m 1 je hmotnost první fáze a m 2 hmotnost druhé fáze.  1 a  2 jsou specifické termodynamické potenciály látky v těchto fázích. Termodynamický potenciál celého systému je reprezentován jako Ф = m 1  1 + m 2  2. Jestliže  1   2, pak jakákoliv přeměna fáze 1 na fázi 2 je doprovázena poklesem Ф. dokud celá fáze 1 nepřejde do stabilnější fáze 2. Poté se systém stane jednofázovým a jeho termodynamický potenciál dosáhne minimální hodnoty m  2. Naopak, pokud  1   2, pak se fáze 2 nakonec změní ve fázi 1. Pouze za podmínky  1 (P, T) =  2 (P, T) (1) Fáze budou v rovnováze s navzájem. Podmínkou fázové rovnováhy je tedy rovnost jejich specifických termodynamických potenciálů.

Fázový rovnovážný diagram oxidu uhličitého:

Význam podmínky (1) je ten, že během jakýchkoli fázových přeměn zůstává hodnota měrného termodynamického potenciálu nezměněna. Při všech změnách skupenství látky se tedy vždy plynule mění její specifický termodynamický potenciál

Procesy ve fázových přechodech Uvažujme: Odpařování a kondenzace Tání a krystalizace Vaření a přehřívání kapaliny

Vypařování a kondenzace Přechod kapaliny do plynného skupenství se nazývá vypařování, přechod pevné látky do plynného skupenství sublimace. Teplo, které je třeba odevzdat jednotkové hmotnosti látky, aby se přeměnila na páru, která má stejnou teplotu, jako měla látka před vypařováním, se nazývá měrné teplo vypařování. Při kondenzaci se teplo ztracené při vypařování vrací zpět: kapalina vznikající při kondenzaci se zahřívá. Pára, která je v rovnováze se svou kapalinou, se nazývá nasycená. Tlak, při kterém nastává rovnováha, se nazývá tlak nasycených par.

Odpařování některé kapaliny Odpařování některých typů kapalin v diagramu

Tání a krystalizace Přechod krystalického tělesa do kapalného stavu nastává při teplotě specifické pro každou látku a vyžaduje vynaložení určitého množství tepla, nazývaného skupenské teplo tání. Teplota tání závisí na tlaku. K přechodu z krystalického do kapalného stavu tedy dochází za velmi specifických podmínek, charakterizovaných hodnotami tlaku a teploty. Soubor těchto hodnot odpovídá křivce na (p, T) diagramu, která se obvykle nazývá křivka tání

Krystalizační proces, obrácený k tavení, probíhá následovně. Když se kapalina ochladí na teplotu, při které mohou být pevná a kapalná fáze při daném tlaku v rovnováze (tj. na stejnou teplotu, při které došlo k tání), začíná současný růst krystalů kolem tzv. zárodků neboli krystalizace. středisek. Jednotlivé krystaly se stále více a více přibližují k sobě a vytvářejí polykrystalickou pevnou látku. Proces krystalizace je doprovázen uvolňováním stejného množství tepla, které je absorbováno při tavení.

Tání

Diagram: Tavení-krystalizace

Vaření a přehřívání kapaliny Je-li kapalina v nádobě ohřívána při stálém vnějším tlaku od volného povrchu kapaliny. Tento proces tvorby páry se nazývá vypařování. Při dosažení určité teploty, zvané bod varu, se začíná tvořit pára nejen z volné hladiny, bublinky páry rostou a stoupají k hladině a nesou s sebou samotnou kapalinu. Proces odpařování se stává násilným. Tento jev se nazývá var. Přehřátou vodu lze získat například v křemenné baňce s hladkými stěnami. Baňku důkladně vypláchněte nejprve kyselinou sírovou, dusičnou nebo jinou kyselinou a poté destilovanou vodou. Do vymyté baňky se nalije destilovaná voda, ze které se prodlouženým varem odstraní vzduch v ní rozpuštěný. Poté lze vodu v baňce zahřát na plynovém hořáku na teplotu výrazně vyšší, než je bod varu, a přesto se nebude vařit, ale bude se pouze intenzivně odpařovat z volné hladiny. Jen občas se na dně baňky vytvoří bublina páry, která rychle roste, odděluje se ode dna a stoupá k hladině kapaliny a její velikost se stoupáním velmi zvětšuje. Voda pak zůstává dlouho klidná. Pokud se do takové vody vnese plynný zárodek, například vhozením špetky čaje, dojde k prudkému varu a jeho teplota rychle klesne k bodu varu. Tato efektivní zkušenost je výbušná.

Var Teplota vody při jaderném varu

Závěr Tato práce umožnila dozvědět se více o procesech, ke kterým dochází při přechodu jednoho skupenství látky do druhého, jaké vlastnosti má každá z fází a skupenství. Když vidíme procesy kolem nás, můžeme snadno říct, jak se to děje, protože známe pouze základní teorii. Fyzika nám proto pomáhá poznat většinu přírodních zákonů, které nám v budoucnu pomohou.

Pojem fáze v termodynamice jsou uvažovány v širším smyslu než stavy agregace. Podle fáze v termodynamice rozumíme termodynamicky rovnovážný stav látky, která se fyzikálními vlastnostmi liší od ostatních možných rovnovážných stavů téže látky.. Někdy se nerovnovážný metastabilní stav látky nazývá také fáze, ale metastabilní. Fáze látky se mohou lišit povahou pohybu strukturních částic a přítomností nebo nepřítomností uspořádané struktury. Různé krystalické fáze se od sebe mohou lišit typem krystalové struktury, elektrickou vodivostí, elektrickými a magnetickými vlastnostmi atd. Kapalné fáze se od sebe liší koncentrací složek, přítomností či nepřítomností supravodivosti atd.

Přechod látky z jedné fáze do druhé se nazývá fázový přechod . Mezi fázové přechody patří jevy odpařování a tání, kondenzace a krystalizace atd. Ve dvoufázovém systému jsou fáze v rovnováze při stejné teplotě. Při zvětšování objemu se část kapaliny mění v páru, ale pro udržení konstantní teploty je nutné předat určité množství tepla zvenčí. Pro uskutečnění přechodu z kapalné fáze do plynného systému je tedy nutné přenášet teplo beze změny teploty systému. Toto teplo jde změnit fázový stav látky a je voláno teplo fázové přeměny nebo latentní teplo přechodu . S rostoucí teplotou latentní teplo přechodu pevné hmoty látky klesá a při kritické teplotě je rovno nule. Pro charakterizaci fázového přechodu se používá měrné teplo fázového přechodu. Měrné teplo fázové přeměny je množství latentního tepla na jednotku hmotnosti látky.

Fázové přechody s absorpcí nebo uvolněním latentního tepla přechodu se nazývají fázové přechody prvního řádu . V tomto případě se vnitřní energie a hustota náhle změní. Při přechodu z více uspořádaného stavu do méně uspořádaného stavu se entropie zvyšuje. Tabulka ukazuje fázové přechody prvního řádu a jejich hlavní charakteristiky.

Stůl. Fázové přechody prvního rad a jejich hlavní charakteristiky .

S Existuje souvislost mezi tlakem, při kterém je dvoufázový systém v rovnováze, a teplotou při fázových přechodech prvního řádu. Toto spojení je popsáno . Uvažujme odvození této rovnice pro uzavřené systémy. Je-li počet částic v systému konstantní, je změna vnitřní energie podle prvního termodynamického zákona určena výrazem: . Rovnováha mezi fázemi nastane za předpokladu, že T 1 = T 2 a P 1 = P 2. Uvažujme infinitezimální reverzibilní Carnotův cyklus (obr. 6.8), jehož izotermy odpovídají stavu dvoufázové soustavy při teplotách T a dT. Protože se stavové parametry mění nekonečně málo, jsou izotermy a adiabaty na obr. 6.8 znázorněny jako přímky. Tlak se v takovém cyklu mění o hodnotu dP. Provoz systému na cyklus je určen vzorcem:
. Předpokládejme, že cyklus je implementován pro systém, jehož hmotnost hmoty je rovna jedné. Účinnost takového základního Carnotova cyklu lze určit pomocí vzorců:
nebo
, Kde L P– specifické výparné teplo. Porovnáním pravých stran těchto rovností a dosazením výrazu za práci prostřednictvím tlaku a objemu získáme:
. Korelujeme změnu tlaku se změnou teploty a dostaneme:

(6.23)

Zavolá se rovnice (6.23). Clapeyron-Clausiova rovnice . Analýzou této rovnice můžeme dojít k závěru, že s rostoucí teplotou roste tlak. Vyplývá to z toho, že
, a proto
.

Clapeyron-Clausiusova rovnice je použitelná nejen pro přechod kapalina-pára. Platí pro všechny přechody prvního řádu. Obecně se to dá napsat takto:

(6.24)

Pomocí Clapeyron–Clausiusovy rovnice můžeme prezentovat stavový diagram systému v souřadnicích P, T (obr. 6.9). V tomto diagramu je křivka 1 sublimační křivka. Odpovídá rovnovážnému stavu dvou fází: pevné a páry. Body ležící nalevo od této křivky charakterizují jednofázový pevný stav. Body napravo charakterizují stav páry. Křivka 2 – křivka tání. Odpovídá rovnovážnému stavu dvou fází: pevné a kapalné. Body ležící nalevo od této křivky charakterizují jednofázový pevný stav. Body ležící napravo od něj až ke křivce 3 charakterizují kapalné skupenství. Křivka 3 – křivka odpařování. Odpovídá rovnovážnému stavu dvou fází: kapaliny a páry. Body ležící nalevo od této křivky charakterizují jednofázové kapalné skupenství. Body napravo charakterizují stav páry. Křivka 3 je na rozdíl od křivek 1 a 2 omezena na obě strany. Na jedné straně - trojitá tečka Tr, na druhé straně - kritický bod K (obr. 6.9). Trojitý bod popisuje rovnovážný stav tří fází najednou: pevné, kapalné a páry.