Fázisátmenetek: a fázisátalakulások főbb típusai (fizikai osztályozás). Az anyag fázisátalakulásai Töltse le a fázisátalakulások kémia hőmérsékleti táblázatát

FÁZIS ÁTMENET, fázis átalakulás, tág értelemben - egy anyag átmenete az egyikből fázisok a másikra, amikor a külső körülmények megváltoznak - hőmérséklet, nyomás, mágneses és elektromos. mezők stb.; szűk értelemben - a fizikai hirtelen változás. tulajdonságok a külső paraméterek folyamatos változásával. A különbség a "Ph. p." kifejezés két értelmezése között. a következő példából látható. Szűk értelemben egy anyag gázfázisból plazmafázisba való átmenete (lásd. Vérplazma) nem F. p., hiszen ionizálás gáz fokozatosan fordul elő, de tágabb értelemben F. o. Ebben a cikkben az „F p. szűk értelemben véve.

A hőmérséklet, nyomás vagy érték értéke. egyéb fizikai Azt az értéket, amelynél a fázisozás megtörténik, átmeneti pontnak nevezzük.

Kétféle F. p. Az első típusú fizika esetében az ilyen termodinamikai paraméterek hirtelen megváltoznak. az anyag jellemzői, mint például a sűrűség, az összetevők koncentrációja; egységnyi tömegre nagyon határozott mennyiségű hő szabadul fel vagy nyel el, ún. átmenet hője. A második fajtájú F. esetében van egy bizonyos fizikai. a nullával egyenlő érték az átmeneti pont egyik oldalán fokozatosan növekszik (nulláról) az átmeneti pont és a másik oldal távolságával. Ebben az esetben a sűrűség és a koncentrációk folyamatosan változnak, hő nem szabadul fel, nem nyelődik el.

F. o. a természetben elterjedt jelenség. Az első típusú fizika a következők: párolgás és kondenzáció, olvadás és megszilárdulás, szublimáció és kondenzáció szilárd fázisba, bizonyos szerkezeti átmenetek szilárd anyagokban, például. oktatás martenzit vas-szén ötvözetben. BAN BEN antiferromágnesek a mágneses részrácsok egy mágnesezési tengelye esetén a tengely mentén irányított külső mágneses térben I. típusú fáziseltolódás lép fel. Egy adott térértéknél a mágneses részrácsok nyomatékai a tér irányára merőlegesen forognak (a részrácsok „felborulnak”). A tiszta szupravezetőkben a mágneses tér első fajta fázisváltozást okoz a szupravezető állapotból a normál állapotba .

Nál nél abszolút nulla hőmérséklet és fix térfogatú, a legalacsonyabb energiaértékű fázis termodinamikailag egyensúlyban van. Az első típusú fizika ebben az esetben a nyomás és a külső mezők azon értékeinél fordul elő, amelyeknél két különböző fázis energiáját hasonlítják össze. Ha nem rögzíti a test térfogatát V,és a nyomás R, majd termodinamikai állapotban. egyensúly, a minimum a Gibbs-energia Ф (vagy G), és a fázisegyensúly átmeneti pontjában vannak olyan fázisok, amelyek értéke azonos Ф .

Sok anyag alacsony nyomáson lazán tömött szerkezetekké kristályosodik. Például kristályos hidrogén egymástól viszonylag nagy távolságra elhelyezkedő molekulákból áll; szerkezet grafit a szénatomok egymástól távol elhelyezkedő rétegeinek sorozata. Megfelelően magas nyomáson az ilyen laza szerkezetek a Gibbs-energia nagy értékeinek felelnek meg. Ilyen körülmények között az egyensúlyi szorosan egymásra épülő fázisok kisebb Ф értéknek felelnek meg. Ezért nagy nyomáson a grafit átalakul gyémánt,és molekuláris kristályos. a hidrogénnek atomossá (fémessé) kell válnia. Kvantumfolyadékok 3 He és 4 He folyékony marad normál nyomáson egészen az elért legalacsonyabb hőmérsékletig (T ~ 0,001 K). Ennek oka a részecskék gyenge kölcsönhatása és az abszolút értékhez közeli tempo-pax oszcillációik nagy amplitúdója. nulla (úgynevezett nulla oszcillációk ). Azonban a nyomás növekedése (akár 20 atm T = 0 K-nál) folyékony hélium megszilárdulásához vezet. Nem nulla temp-pax mellett adott nyomáson és hőmérsékleten a minimális Gibbs-energiájú fázis még egyensúlyban van (az a minimális energia, amelyből a nyomáserők munkáját és a rendszerre átadott hőmennyiséget levonjuk).

Az első típusú fizikát az jellemzi, hogy az első típusú fizika görbéje közelében van egy metastabil egyensúlyi régió (például egy folyadék felmelegíthető a forráspont feletti hőmérsékletre vagy túlhűthető a fagypont alá). Metastabil állapotok elég régóta léteznek, amiért egy új, alacsonyabb Ф értékű (termodinamikailag kedvezőbb) fázis kialakulása ennek a fázisnak a magjainak megjelenésével kezdődik. Az atommag képződése során a Ф értékének növekedése arányos a térfogatával, a veszteség pedig a felülettel (érték felületi energia). A keletkező kis embriók növekednek F,és ezért elsöprő valószínűséggel csökkenni fognak és eltűnnek. Azonban azok a magok, amelyek elértek egy bizonyos kritikus méretet, megnőnek, és az egész anyag új fázisba kerül. Az embrió kialakulása kritikus. mérete nagyon valószínűtlen folyamat, és meglehetősen ritkán fordul elő. A magképződés valószínűsége kritikus. a méret növekszik, ha az anyag idegen makroszkopikus zárványokat tartalmaz. méretek (például porszemcsék egy folyadékban). Közelről kritikus pont az egyensúlyi fázisok különbsége és a felületi energia csökken, könnyen keletkeznek nagy méretű és furcsa alakú magok, ami befolyásolja az anyag tulajdonságait .

A II. fázis típusokra példa a mágneses momentum megjelenése (minden esetben meghatározott hőmérséklet alatt) a mágnesben a paramágneses-ferromágneses átmenet során, az antiferromágneses rendeződés a paramágneses-ferromágneses átmenet során. antiferromágnes, a szupravezetés megjelenése fémekben és ötvözetekben, a szuperfolyékonyság megjelenése 4 He-ben és 3 He-ben, az ötvözetek rendeződése, az anyag spontán polarizációjának megjelenése a paraelektromos átmenet során ferroelektromos stb.

L.D. Hintó(1937) a második típusú minden fázisnak a szimmetriaváltozás pontjaként való általános értelmezését javasolta: az átmeneti pont felett a rendszer szimmetriája nagyobb, mint az átmeneti pont alatt. Például egy mágnesben az átmeneti pont felett az elemi mágneses momentumok iránya (pörög) a részecskék kaotikusan oszlanak el. Ezért az összes pörgés egyidejű forgatása nem változtatja meg a fizikát. a rendszer tulajdonságait. Az átmeneti pont alatt a hátlapok preferált tájolásúak. Egyidejű forgásuk megváltoztatja a rendszer mágneses nyomatékának irányát. Egy másik példa: kétkomponensű ötvözetben, melynek atomjai A és B egyszerű köbös csomópontjainál található kristályrács, a rendezetlen állapotot az A és B atomok kaotikus eloszlása ​​jellemzi a rácshelyek között, így a rács egy periódusos eltolódása nem változtatja meg a tulajdonságait. Az átmeneti pont alatt az ötvözet atomjai sorrendben vannak elrendezve: ...ABAV... Egy ilyen rács egy periódusos eltolódása az összes A atom B-vel való helyettesítéséhez vezet, vagy fordítva. Az atomok elrendezésében a rend felállítása következtében a rács szimmetriája csökken.

Maga a szimmetria megjelenik és hirtelen eltűnik. Az aszimmetriát jellemző mennyiség (rend paraméter) azonban folyamatosan változhat. A második típusú fázisok esetében a sorrendi paraméter nullával egyenlő az átmeneti pont felett és magán az átmeneti ponton. Például egy ferromágnes mágneses momentuma hasonló módon viselkedik. ferroelektromos polarizáció, a szuperfolyékony komponens sűrűsége folyadékban 4 He, atom kimutatásának valószínűsége A a megfelelő kristályos csomópontban. kétkomponensű ötvözetrácsok stb.

A második típusú fizikát a sűrűség, a koncentráció és az átmeneti hő ugrásának hiánya jellemzi. De pontosan ugyanaz a kép figyelhető meg a kritikában. pont az első típusú fázisfüggvény görbéjén . A hasonlóság nagyon mélynek bizonyul. Közel kritikus pontban az anyag halmazállapota egy olyan mennyiséggel jellemezhető, amely sorrendi paraméter szerepét tölti be. Például kritikus esetén a folyadék-gőz egyensúlyi görbe pontjai a sűrűség átlagos értéktől való eltérése. Ha kritikus helyzetben vezet isochore a magas hőmérséklet oldalon a gáz homogén, és ez az érték nulla. Lent kritikus hőmérséklet az anyag két fázisra rétegeződik, amelyekben a sűrűség eltérése a kritikustól nem egyenlő nullával. Mivel a második típusú fázisok a fázispont közelében alig különböznek egymástól, lehetséges az egyik fázis nagy magjainak kialakulása a másikban. (ingadozások), pontosan ugyanaz, mint a közel kritikus. pontokat. Sok kritika kapcsolódik ehhez. jelenségek a második típusú II. fázis során: a ferromágnesek mágneses szuszceptibilitásának és a ferroelektromos anyagok dielektromos állandójának végtelen növekedése (analóg a kompresszió növekedése a folyadék-gőz kritikus pont közelében), a hőkapacitás végtelen növekedése, rendellenes szórás elektromágneses hullámok [fény folyadékban és gőzben , Röntgensugarak szilárd anyagokban], neutronok ferromágnesekben. A dinamikus jelenségek is jelentősen változnak, ami az ebből adódó ingadozások nagyon lassú reszorpciójával jár. Például közel kritikus folyadék-gőz pont szűkíti a Rayleigh-vonalat fényszórás, Bezárás Curie pontok ferromágnesek és Neel pont az antiferromágnesek spin diffúziója lelassul stb Sze. ingadozási méret (korrelációs sugár) R növekszik, ahogy közeledik a második típusú II. fázis pontjához, és ezen a ponton végtelenül nagy lesz.

A második típusú fizikai jelenségek és a kritikus jelenségek elméletének modern vívmányai a hasonlósági hipotézisen alapulnak. Feltételezhető, hogy ha elfogadjuk R hosszmértékegységenként, és átl. éles cella sorrendi paraméterének értéke R- a rendelési paraméter mértékegységére vonatkoztatva, akkor a teljes ingadozási minta nem függ sem az átmeneti pont közelségétől, sem az adott anyagtól. Minden termodinamikus. a mennyiségek hatványfüggvények R. A kitevőket kritikus dimenzióknak (indexeknek) nevezzük. Nem függenek az adott anyagtól, és csak a rendelési paraméter természete határozza meg. Például egy izotróp anyag Curie-pontjának méretei, amelyek sorrendi paramétere a mágnesezési vektor, eltérnek a kritikus pont méreteitől. pont folyadék - gőz vagy egy egytengelyű mágnes Curie-pontjában, ahol a rendelési paraméter egy skaláris mennyiség.

Közel az átmeneti ponthoz állapotegyenlet törvény jellegzetes megjelenésével bír megfelelő állapotok. Például közel kritikus pont folyadék-gőz arány (p - p k) / (p l - p g) csak a (p - p k) / (p l - r g)*-tól függ K T(itt p - sűrűség, p k - kritikus sűrűség, p l - folyadéksűrűség, p g - gázsűrűség, R - nyomás, p k - kritikus nyomás, K T - izotermikus összenyomhatóság), Ezenkívül a függőség típusa megfelelő skálaválasztás mellett minden folyadéknál azonos .

Nagy előrelépések történtek az elméleti tudományban. kritikus számítása a méretek és az állapotegyenletek jó összhangban vannak a kísérleti adatokkal.

A fizikaelmélet második fajtájának továbbfejlesztése a kvantumtérelméleti módszerek, különösen a renormalizációs csoportmódszer alkalmazásához kapcsolódik. Ez a módszer elvileg lehetővé teszi a kritikus indexek tetszőleges pontosságú megtalálását.

A fizika két típusra való felosztása némileg önkényes, mivel vannak az első típusú fizikák, amelyekben a hőkapacitás és más mennyiségek kis ugrásszerű ugrásai és kis átmenethői erősen fejlett ingadozásokkal rendelkeznek. A fizikai jelenség olyan kollektív jelenség, amely szigorúan meghatározott hőmérsékleti és egyéb mennyiségi értékeknél csak olyan rendszerben fordul elő, amely határértéken belül tetszőlegesen sok részecskét tartalmaz.

Lit.: Landau L. D., Lifshits E. M., Statistical Physics, 2. kiadás, M., 1964 (Theoretical Physics, 5. kötet); Landau L. D., Akhiezer A. I., Lifshits E. M., Az általános fizika tanfolyama. Mechanika és molekuláris fizika, 2. kiadás, M., 1969; Brayt R., Fázisátmenetek, ford. angolból, M., 1967;Fisher M., A kritikus állapot természete, ford. angolból, M., 1968; Stanley G., Fázisátmenetek és kritikus jelenségek, ford. angolból, M., 1973; Anisimov M.A., A kritikus jelenségek tanulmányozása folyadékokban, "Advances in Physical Sciences", 1974, 114. v., v. 2; Patashinsky A. Z., Pokrovsky V. L., Fluktuációs elmélet a fázisátalakulások, M., 1975; Kvantumtérelmélet és fázisátalakulások fizikája, transz. angol nyelvből, M., 1975 (News of Fundamental physics, 6. szám); Wilson K., Kogut J., Renormalization group and s-expansion, ford. angol nyelvből, M., 1975 (News of Fundamental physics, 5. v.).

BAN BEN. L. Pokrovszkij.

TSB anyagok alapján.

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

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_1.jpg" alt=">Fázisátmenetek fő típusai (fizikai besorolás)">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_2.jpg" alt=">Fázisátmenetek az aggregációs forrás (kondenzáció) állapotának változásával ) olvadás (kristályosodás ) szublimáció"> 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. Allotróp (polimorf) fázisátalakulások Polimorf fázisátalakulások csak szilárd aggregátumban"> 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. Ferroelektromos fázisátalakulások Ismertek olyan anyagok, amelyekre bizonyos feltételek mellett feltételek talán bizonyos"> 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. Mágneses fázisátalakulások Az anyagok egy csoportja ismert, amelyek nagy spontán mágnesezettség Anélkül"> 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. Ferro-ferromágneses fázisátalakulások Vannak ismert anyagok, amelyek bizonyos hőmérsékleteken a sorrend figyelhető meg"> 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. Átmenetek a szupravezető állapotba A jelenség lényege a szupravezetés az, ami elektromos"> 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=">A szupravezető állapotba való átmenet növekvő hőmérsékletének kronológiája magas hőmérsékletű szupravezető HgBa2CuO4+δ">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_9.jpg" alt=">2,19 K hőmérsékleten a folyékony hélium két fázisra válik szét - Szia és szia."> 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=">Amint az a példákból látható, nagyon különböző dolgok történhetnek FP termodinamikai rendszerben történnek."> 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=">Fázisátmenetek termodinamikai osztályozása az Ehrenfest szerint">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_12.jpg" alt=">A Gibbs-energia első deriváltjai A Gibbs-energia második deriváltjai és fizikai mennyiségek, a hozzájuk kapcsolódó">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_13.jpg" alt=">A termodinamikai tulajdonságok változása az első és másodrendű fázisátalakulások során">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_14.jpg" alt=">Az elsőrendű fázisátmenetek termodinamikai elmélete Tekintsünk egyetlen -komponens (azaz egyedi anyagból álló) heterogén"> 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=">A rendszer mindegyik r fázisához leírhatjuk a termodinamikai paraméterek megfelelő értékei"> 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=">Az egyszerűség kedvéért tegyük fel, hogy egykomponensű heterogén rendszerünkben csak 2 fázis létezik egymás mellett."> 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=">Keresünk egy kifejezett kifejezést erre a függőségre. Vegyük figyelembe véve, hogy az egykomponensű rendszerekben"> 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=">A G=U+pV-TS kifejezés alapján, miután differenciálást kapunk: dG=dU+pdV+Vdp-TdS-SdT Vegyük figyelembe a kifejezést."> 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=">A fázistranszformáció a T,p=const időpontban történik, és kíséri a hangerő változása V1-ről V2-re."> 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=">Így T és p között a fázisegyensúlynak megfelelő funkcionális kapcsolat Ezért ha"> 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=">Az utolsó két egyenlet kombinálása és a V2 jelölése -V1=ΔV ( két fázis moláris térfogatának különbsége),"> 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=">Átmenet a kondenzált fázisok között olvasztáshoz (átmeneti kristályos fázis - folyadék)"> 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=">Átmeneti folyadék - gőz (párolgás) Ha a fázisátalakulás feltételei (p ,T) meglehetősen távol állnak a kritikustól"> 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=">Átmeneti kristályos fázis - gőz (szublimáció) A Clausius-Clapeyron egyenlet ugyanolyan kinézetű, de"> 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=">Néha a Clausius-Clapeyron egyenlet a sűrített fázisból való átmenethez a gázfázisra integrált formában írjuk:"> 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=">Szóval differenciálművet kaptunk (és néhány speciális esetre - és integrálban)"> 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=">A második típusú fázistranszformációk a kristályokban fordulnak elő a rendezés során ponthibák (a szerkezet megváltozásakor"> 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=">Landau elmélete azt feltételezi, hogy a rendszer egyes fázisai különböznek egymástól egyéb fizikai tulajdonságok,"> 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.!}

Belousova Julia, Koban Anastasia

A munka az anyag fázisátalakulásait írja le. Fázisegyensúly. Olvadás, kristályosítás, bepárlás, kondenzáció.

Letöltés:

Előnézet:

A prezentáció előnézetének használatához hozzon létre egy Google-fiókot, és jelentkezzen be: https://accounts.google.com

Diafeliratok:

Fizikai kutatómunka: Az anyag fázisátalakulásai

Terv: Tárgyterület és munkatárgy A vizsgálat relevanciája A vizsgálat célja és célkitűzései A fázisátalakulások kezdeti információinak megismertetése A fázisátalakulások típusai Fázisegyensúly A fázisátalakulások folyamatai Következtetés

Az objektumtartomány A fizika az univerzum tudománya, amely lehetővé teszi számunkra, hogy figyelembe vegyük és megértsük a minket körülvevő folyamatokat annak minden finomságában. „A legszebb, amit átélhetünk, az a felfoghatatlan. Az igazi művészet és tudomány forrásaként szolgál.” Albert Einstein.

Vizsgálat tárgya Ezen a területen a vizsgálat tárgyaként egy anyag fázisátalakulásának folyamatát vesszük figyelembe.

A téma aktualitása Ez a téma azért érdekes és aktuális, mert az utóbbi években jól ismert a fázisátalakulások elterjedt alkalmazása a tudomány és a technológia különböző területein. A fázisátalakulások a fizikai hatások alkalmazásának gyakorlati szempontból legjelentősebb módjai közé sorolhatók.

A munka célja: Megismerni a modern tudomány alapfogalmait a fázisegyensúlyok különböző típusairól, valamint az anyag egyik fázisból a másikba való átmenet folyamatának fizikai jellemzőit.

Célok: A fázisátalakulás fogalmának áttekintése és a fázisegyensúlyi folyamatok meghatározása;

A fázisátmenet fogalma A fázisátalakulás, tágabb értelemben a fázisátalakulás az anyag egyik fázisból a másikba való átmenete, amikor a külső körülmények megváltoznak - hőmérséklet, nyomás, mágneses és elektromos mezők stb. Szűk értelemben a fizikai tulajdonságok hirtelen megváltozása a külső paraméterek folyamatos változásával.

A fázisátalakulások típusai A fázisátalakulásokat I. és II. típusra osztjuk Az anyag aggregált állapotának változásait elsőrendű fázisátalakulásnak nevezzük, ha: 1) A hőmérséklet a teljes átmenet alatt állandó. 2) A rendszer hangereje változik. 3) A rendszer entrópiája megváltozik. A másodrendű fázisátalakulások olyan fázisátalakulások, amelyekben a termodinamikai potenciálok nyomásra és hőmérsékletre vonatkozó első deriváltjai folyamatosan változnak, míg a második deriváltjaik ugrást tapasztalnak. Ebből különösen az következik, hogy egy anyag energiája és térfogata a másodrendű fázisátalakulás során nem változik, de változik a hőkapacitása, összenyomhatósága, különféle érzékenysége stb.

Fázis fázisdiagram átmenetek, amelyek a folyadék- és gázfázis első és másodrendű határait ábrázolják

Fázisegyensúly A fázisegyensúly feltétele a termodinamika tételeiből adódik. Ha a rendszer egyensúlyban van, minden fázisának hőmérséklete és nyomása azonos. Ha ezeket állandóan tartják, akkor a rendszer termodinamikai potenciálja csak csökkenhet. Egyensúlyi állapotban minimális értéket vesz fel. Legyen m 1 az első, m 2 pedig a második fázis tömege.  1 és  2 az anyag specifikus termodinamikai potenciálja ezekben a fázisokban. A teljes rendszer termodinamikai potenciálját a következőképpen ábrázoljuk: Ф = m 1  1 + m 2  2. Ha  1   2, akkor az 1. fázis 2. fázissá történő átalakulása Ф csökkenésével jár amíg a teljes 1. fázis át nem megy egy stabilabb 2. fázisba. Ekkor a rendszer egyfázisúvá válik, és termodinamikai potenciálja eléri a minimális m  2 értéket. Ellenkezőleg, ha  1   2, akkor a 2. fázis végül 1-essé válik. Csak akkor, ha  1 (P, T) =  2 (P, T) (1) A fázisok egyensúlyban lesznek egymás. Így a fázisegyensúly feltétele fajlagos termodinamikai potenciáljuk egyenlősége.

A szén-dioxid fázis egyensúlyi diagramja:

Az (1) feltétel jelentése, hogy bármely fázistranszformáció során a fajlagos termodinamikai potenciál értéke változatlan marad. Így egy anyag halmazállapotának minden változása esetén fajlagos termodinamikai potenciálja mindig folyamatosan változik

Folyamatok a fázisátalakulások során Vegye figyelembe: Párolgás és kondenzáció Olvadás és kristályosodás Folyadék forrása és túlhevítése

Párolgás és kondenzáció A folyadék gázhalmazállapotba való átmenetét párolgásnak, a szilárd anyag gázhalmazállapotba való átmenetét szublimációnak nevezzük. Faj párolgási hőnek nevezzük azt a hőt, amelyet az anyag egységnyi tömegére kell átadni, hogy gőzzé alakuljon, és amelynek hőmérséklete megegyezik az anyag párolgás előtti hőmérsékletével. A kondenzáció során a párolgás során elvesztett hőt visszaadják: a kondenzáció során keletkezett folyadék felmelegszik. A folyadékkal egyensúlyban lévő gőzt telítettnek nevezzük. Azt a nyomást, amelyen az egyensúly létrejön, telített gőznyomásnak nevezzük.

Valamely folyadék párolgása A diagramon szereplő egyes folyadéktípusok párologtatása

Olvadás és kristályosodás A kristályos test folyékony halmazállapotba való átmenete az egyes anyagokra jellemző hőmérsékleten megy végbe, és bizonyos mennyiségű hő felhasználását igényli, amelyet olvadáshőnek nevezünk. Az olvadáspont a nyomástól függ. Így a kristályos állapotból a folyékony állapotba való átmenet nagyon specifikus körülmények között megy végbe, amelyeket nyomás- és hőmérsékletértékek jellemeznek. Ezen értékek halmaza megfelel a (p, T) diagramon lévő görbének, amelyet általában olvadási görbének neveznek.

Az olvadással ellentétes kristályosítási folyamat a következőképpen megy végbe. Ha a folyadékot olyan hőmérsékletre hűtjük, amelyen a szilárd és a folyékony fázis egyensúlyban lehet egy adott nyomáson (azaz ugyanarra a hőmérsékletre, amelyen az olvadás megtörtént), a kristályok egyidejű növekedése megindul az úgynevezett magok körül vagy kristályosodás. központok. Egyre jobban növekednek, az egyes kristályok végül összezáródnak, és polikristályos szilárd anyagot képeznek. A kristályosodási folyamatot az olvadás során elnyelt hőmennyiség felszabadulása kíséri.

Olvasztó

Diagram: Olvadás-kristályosodás

Folyadék forrása és túlmelegedése Ha az edényben lévő folyadékot a folyadék szabad felületéről állandó külső nyomáson melegítjük. Ezt a gőzképződési folyamatot párolgásnak nevezik. Egy bizonyos hőmérséklet elérésekor, amelyet forráspontnak neveznek, a gőzképződés nemcsak a szabad felületről kezdődik, hanem gőzbuborékok nőnek és emelkednek a felszínre, és magukkal hordozzák a folyadékot. A párolgási folyamat hevessé válik. Ezt a jelenséget forralásnak nevezik. Túlhevített víz nyerhető például sima falú kvarclombikban. A lombikot először kénsavval, salétromsavval vagy más savval, majd desztillált vízzel alaposan öblítse le. A kimosott lombikba desztillált vizet öntünk, amelyből hosszan tartó forralással eltávolítjuk a benne oldott levegőt. Ezt követően a lombikban lévő vizet gázégőn a forráspontnál lényegesen magasabb hőmérsékletre lehet felmelegíteni, és mégsem fog felforrni, hanem csak intenzíven párolog el a szabad felületről. A lombik alján csak időnként képződik gőzbuborék, amely gyorsan növekszik, leválik az aljáról és felemelkedik a folyadék felszínére, mérete pedig a felemelkedés során erősen megnő. Ezután a víz sokáig nyugodt marad. Ha az ilyen vízbe gáznemű csírát juttatunk, például egy csipet teával, akkor az hevesen felforr, és a hőmérséklete gyorsan a forráspontra süllyed. Ez a hatékony tapasztalat robbanásveszélyes.

Forrás A víz hőmérséklete nukleáris forrásban

Következtetés Ez a munka lehetővé tette, hogy jobban megismerjük azokat a folyamatokat, amelyek egy anyag egyik halmazállapotának átmenete során a másikba lépnek be, milyen jellemzőkkel bírnak az egyes fázisok és állapotok. A körülöttünk zajló folyamatokat látva, csak az alapelmélet ismeretében könnyen meg tudjuk állapítani, hogyan történik ez. Ezért a fizika segít abban, hogy megismerjük a legtöbb természettudományi törvényt, amelyek a jövőben segítségünkre lesznek.

Koncepció fázis a termodinamikában tágabb értelemben tekintik őket, mint az aggregációs állapotokat. Alapján fázis a termodinamikában egy anyag termodinamikai egyensúlyi állapotát értjük, amely fizikai tulajdonságaiban különbözik ugyanazon anyag egyéb lehetséges egyensúlyi állapotaitól. Néha egy anyag nem egyensúlyi metastabil állapotát fázisnak is nevezik, de metastabil. Egy anyag fázisai eltérhetnek a szerkezeti részecskék mozgásának természetétől és a rendezett szerkezet meglététől vagy hiányától. A különböző kristályos fázisok eltérhetnek egymástól a kristályszerkezet típusában, az elektromos vezetőképességben, az elektromos és mágneses tulajdonságokban stb. A folyékony fázisok különböznek egymástól a komponensek koncentrációjában, a szupravezetés jelenlétében vagy hiányában stb.

Egy anyag egyik fázisból a másikba való átmenetét ún fázisátmenet . A fázisátalakulások közé tartoznak a párolgás és olvadás, a kondenzáció és a kristályosodás stb. jelenségei. Kétfázisú rendszerben a fázisok azonos hőmérsékleten vannak egyensúlyban. A térfogat növekedésével a folyadék egy része gőzzé alakul, de a hőmérséklet állandó tartása érdekében bizonyos mennyiségű hőt kívülről kell átadni. Így a folyékony fázisból a gáz halmazállapotú rendszerbe történő átmenethez hőátadásra van szükség a rendszer hőmérsékletének megváltoztatása nélkül. Ez a hő megváltoztatja az anyag fázisállapotát, és ún fázisátalakulás hője vagy látens átmeneti hő . A hőmérséklet emelkedésével az anyag rögzített tömegének látens átmeneti hője csökken, és a kritikus hőmérsékleten nullával egyenlő. A fázisátalakulás jellemzésére a fázisátalakulás fajhőjét használjuk. Fázisátalakulás fajhője az anyag egységnyi tömegére jutó látens hő mennyisége.

A látens átmeneti hő elnyelésével vagy felszabadulásával járó fázisátalakulásokat nevezzük elsőrendű fázisátmenetek . Ebben az esetben a belső energia és a sűrűség hirtelen megváltozik. Amikor egy rendezettebb állapotból egy kevésbé rendezett állapotba lépünk, az entrópia növekszik. A táblázat az elsőrendű fázisátalakulásokat és azok főbb jellemzőit mutatja be.

Asztal. Az első rad fázisátmenetei és főbb jellemzőik .

VAL VEL Összefüggés van a kétfázisú rendszer egyensúlyi nyomása és az elsőrendű fázisátalakulások hőmérséklete között. Ezt a kapcsolatot ismertetjük . Tekintsük ennek az egyenletnek a levezetését zárt rendszerekre. Ha a rendszerben a részecskék száma állandó, akkor a belső energia változását a termodinamika első főtétele szerint a következő kifejezés határozza meg: . A fázisok közötti egyensúly létrejön, feltéve, hogy T 1 = T 2 és P 1 = P 2. Tekintsünk egy infinitezimális reverzibilis Carnot-ciklust (6.8. ábra), melynek izotermái megfelelnek egy kétfázisú rendszer állapotának T és dT hőmérsékleten. Mivel az állapotparaméterek végtelenül keveset változnak, a 6.8. ábrán az izotermákat és adiabátokat egyenes vonalakkal ábrázoltuk. A nyomás egy ilyen ciklusban dP-vel változik. A rendszer ciklusonkénti működését a következő képlet határozza meg:
. Tegyük fel, hogy a ciklus egy olyan rendszerre valósul meg, amelynek anyagtömege eggyel egyenlő. Egy ilyen elemi Carnot-ciklus hatékonysága a következő képletekkel határozható meg:
vagy
, Ahol L P– fajlagos párolgási hő. Ha ezeknek az egyenlőségeknek a jobb oldalát egyenlővé tesszük, és a kifejezést a nyomással és térfogattal helyettesítjük, a következő eredményt kapjuk:
. Hasonlítsuk össze a nyomásváltozást a hőmérséklet változásával, és kapjuk:

(6.23)

A (6.23) egyenletet nevezzük Clapeyron–Clausius egyenlet . Ezt az egyenletet elemezve arra a következtetésre juthatunk, hogy a hőmérséklet emelkedésével a nyomás nő. Ez abból következik, hogy
, és ezért
.

A Clapeyron–Clausius egyenlet nem csak a folyadék–gőz átmenetre alkalmazható. Minden elsőrendű átmenetre vonatkozik. Általában a következőképpen írható:

(6.24)

A Clapeyron–Clausius egyenlet segítségével bemutathatjuk a rendszer állapotdiagramját P, T koordinátákban (6.9. ábra). Ezen a diagramon az 1. görbe a szublimációs görbe. Két fázis egyensúlyi állapotának felel meg: szilárd és gőz. A görbétől balra eső pontok jellemzik az egyfázisú szilárd állapotot. A jobb oldali pontok a gőzállapotot jellemzik. 2. görbe – olvadási görbe. Két fázis egyensúlyi állapotának felel meg: szilárd és folyékony. A görbétől balra eső pontok jellemzik az egyfázisú szilárd állapotot. A tőle jobbra eső pontok a 3. görbéig a folyékony állapotot jellemzik. 3. görbe – párologtatási görbe. Két fázis egyensúlyi állapotának felel meg: folyadék és gőz. A görbétől balra eső pontok az egyfázisú folyékony állapotot jellemzik. A jobb oldali pontok a gőzállapotot jellemzik. A 3. görbe, ellentétben az 1. és 2. görbével, mindkét oldalon korlátozott. Az egyik oldalon - egy hármas pont Tr, másrészt - a K kritikus pont (6.9. ábra). Hármas pont három fázis egyensúlyi állapotát írja le egyszerre: szilárd, folyékony és gőz.