Transisi fase: jenis utama transisi fase (klasifikasi fisik). Transisi fasa materi Unduh tabel suhu transisi fasa kimia

TRANSISI FASE, transformasi fase, dalam arti luas - transisi suatu zat dari satu fase ke yang lain ketika kondisi eksternal berubah - suhu, tekanan, magnet dan listrik. bidang, dll.; dalam arti sempit - perubahan fisik yang tiba-tiba. properti dengan perubahan terus-menerus dalam parameter eksternal. Perbedaan antara dua penafsiran istilah "Ph.p." dapat dilihat dari contoh berikut. Dalam arti sempit, peralihan suatu zat dari fase gas ke fase plasma (lihat. Plasma) bukan F.p., karena ionisasi gas terjadi secara bertahap, tetapi dalam arti luas adalah F. p. dipandang dalam arti sempit.

Nilai suhu, tekanan atau nilai. fisik lainnya Nilai dimana pentahapan terjadi disebut titik transisi.

Ada dua jenis F.p. Dengan fisika jenis pertama, parameter termodinamika tersebut berubah secara tiba-tiba. karakteristik zat, seperti massa jenis, konsentrasi komponen; per satuan massa sejumlah kalor yang dilepaskan atau diserap disebut. panas transisi. Dengan F. jenis kedua, ada fisik tertentu. nilai sama dengan nol di satu sisi titik transisi meningkat secara bertahap (dari nol) seiring dengan jarak dari titik transisi ke sisi lainnya. Dalam hal ini kepadatan dan konsentrasi berubah terus menerus, panas tidak dilepaskan atau diserap.

F. p. adalah fenomena yang tersebar luas di alam. Fisika jenis pertama meliputi: penguapan dan kondensasi, peleburan dan pemadatan, sublimasi dan kondensasi menjadi fasa padat, transisi struktur tertentu dalam padatan, misalnya. pendidikan martensit dalam paduan besi-karbon. DI DALAM antiferromagnet dengan satu sumbu magnetisasi subkisi magnet, pergeseran fasa tipe I terjadi pada medan magnet luar yang diarahkan sepanjang sumbu. Pada nilai medan tertentu, momen subkisi magnet berputar tegak lurus terhadap arah medan (terjadi subkisi “terguling”). Pada superkonduktor murni, medan magnet menyebabkan perubahan fasa jenis pertama dari keadaan superkonduktor ke keadaan normal. .

Pada nol mutlak suhu dan volume tetap, fase dengan nilai energi terendah adalah kesetimbangan termodinamika. Fisika jenis pertama dalam hal ini terjadi pada nilai tekanan dan medan luar di mana energi dari dua fase berbeda dibandingkan. Jika Anda tidak memperbaiki volume tubuh V, dan tekanannya P, kemudian dalam keadaan termodinamika. kesetimbangan, minimumnya adalah energi Gibbs Ф (atau G), dan pada titik transisi dalam kesetimbangan fasa terdapat fasa dengan nilai Ф yang sama .

Banyak zat pada tekanan rendah mengkristal menjadi struktur yang tersusun longgar. Misalnya kristal hidrogen terdiri dari molekul-molekul yang terletak pada jarak yang relatif jauh satu sama lain; struktur grafit adalah serangkaian lapisan atom karbon yang berjarak jauh. Pada tekanan yang cukup tinggi, struktur lepas seperti itu sesuai dengan nilai energi Gibbs yang besar. Dalam kondisi ini, kesetimbangan fase-fase yang padat berhubungan dengan nilai Ф yang lebih kecil. Oleh karena itu, pada tekanan tinggi, grafit berubah menjadi berlian, dan kristal molekuler. hidrogen harus menjadi atom (logam). Cairan kuantum 3 He dan 4 He tetap cair pada tekanan normal hingga suhu terendah yang dicapai (T ~ 0,001 K). Alasannya adalah lemahnya interaksi partikel dan besarnya amplitudo osilasinya pada tempo-pax yang mendekati absolut. nol (disebut osilasi nol ). Namun, peningkatan tekanan (hingga 20 ATM pada T = 0 K) menyebabkan pemadatan helium cair. Pada suhu bukan nol dan tekanan serta suhu tertentu, fasa dengan energi Gibbs minimum masih berada dalam kesetimbangan (energi minimum yang darinya kerja gaya tekanan dan jumlah panas yang diberikan ke sistem dikurangi).

Fisika jenis pertama dicirikan oleh adanya daerah kesetimbangan metastabil di dekat kurva Fisika jenis pertama (misalnya, suatu cairan dapat dipanaskan hingga suhu di atas titik didih atau didinginkan hingga di bawah titik beku). Keadaan metastabil ada cukup lama karena pembentukan fase baru dengan nilai yang lebih rendah (lebih menguntungkan secara termodinamika) dimulai dengan munculnya inti fase ini. Pertambahan nilai selama pembentukan inti sebanding dengan volumenya, dan kerugian sebanding dengan luas permukaan (nilai energi permukaan). Embrio kecil yang muncul semakin bertambah F, dan oleh karena itu, kemungkinan besar mereka akan berkurang dan hilang. Namun, inti yang telah mencapai ukuran kritis tertentu tumbuh, dan seluruh materi berpindah ke fase baru. Pembentukan embrio sangatlah penting. ukuran adalah proses yang sangat tidak mungkin dan jarang terjadi. Kemungkinan nukleasi sangat penting. ukurannya bertambah jika zat tersebut mengandung inklusi makroskopis asing. ukuran (misalnya, partikel debu dalam cairan). Dari dekat titik kritis perbedaan antara fase kesetimbangan dan energi permukaan berkurang, inti berukuran besar dan berbentuk aneh mudah terbentuk, yang mempengaruhi sifat-sifat zat .

Contoh tipe fase II adalah kemunculan (di bawah suhu yang ditentukan dalam setiap kasus) momen magnet dalam magnet selama transisi paramagnetik-feromagnetik, tatanan antiferromagnetik selama transisi paramagnetik-feromagnetik antiferromagnet, munculnya superkonduktivitas pada logam dan paduan, munculnya superfluiditas pada 4 He dan 3 He, keteraturan paduan, munculnya polarisasi spontan materi selama transisi paraelektrik feroelektrik dll.

L.D. Landau(1937) mengusulkan interpretasi umum semua fase jenis kedua sebagai titik perubahan simetri: di atas titik transisi, sistem memiliki simetri yang lebih tinggi daripada di bawah titik transisi. Misalnya pada magnet, di atas titik transisi, arah momen magnet dasar (berputar) partikel terdistribusi secara kacau. Oleh karena itu, rotasi semua putaran secara simultan tidak mengubah fisika. sifat-sifat sistem. Di bawah titik transisi, bagian belakang memiliki orientasi yang lebih disukai. Rotasi simultannya mengubah arah momen magnet sistem. Contoh lain: dalam paduan dua komponen, yang atomnya A dan B terletak di simpul kubik sederhana kisi kristal, keadaan tidak teratur ditandai dengan distribusi atom A dan B yang kacau pada lokasi kisi, sehingga pergeseran kisi sebesar satu periode tidak mengubah sifat-sifatnya. Di bawah titik transisi, atom-atom paduan disusun secara berurutan: ...ABAB... Pergeseran kisi tersebut sebesar satu periode menyebabkan penggantian semua atom A dengan B atau sebaliknya. Akibat terbentuknya keteraturan susunan atom, simetri kisi berkurang.

Simetri itu sendiri muncul dan menghilang secara tiba-tiba. Namun besaran yang menjadi ciri asimetri (parameter tatanan) dapat berubah terus menerus. Untuk fase jenis kedua, parameter ordenya adalah nol di atas titik transisi dan pada titik transisi itu sendiri. Misalnya, momen magnet feromagnet berperilaku serupa. polarisasi feroelektrik, kepadatan komponen superfluida dalam cairan 4 He, kemungkinan mendeteksi atom A dalam simpul kristal yang sesuai. kisi-kisi paduan dua komponen, dll.

Fisika jenis kedua ditandai dengan tidak adanya lompatan kepadatan, konsentrasi, dan panas transisi. Tapi gambaran yang persis sama diamati secara kritis. titik pada kurva fungsi fasa jenis pertama . Kemiripannya ternyata sangat dalam. Hampir kritis Intinya, keadaan materi dapat dicirikan oleh kuantitas yang berperan sebagai parameter keteraturan. Misalnya saja dalam keadaan kritis titik-titik pada kurva kesetimbangan cair-uap merupakan deviasi densitas dari nilai rata-rata. Saat berkendara pada kondisi kritis isokore di sisi suhu tinggi, gasnya homogen, dan nilainya nol. Di bawah suhu kritis zat tersebut dikelompokkan menjadi dua fase, yang masing-masing fase deviasi densitas dari fase kritis tidak sama dengan nol. Karena fase-fase jenis kedua sedikit berbeda satu sama lain di dekat titik fase, pembentukan inti besar dari satu fase ke fase lain dimungkinkan. (fluktuasi), persis sama dengan mendekati kritis. poin. Banyak kritik yang terkait dengan hal ini. fenomena selama fase II jenis kedua: peningkatan tak terbatas dalam kerentanan magnetik feromagnet dan konstanta dielektrik feroelektrik (analognya adalah peningkatan kompresibilitas di dekat titik kritis uap-cair), peningkatan kapasitas panas tak terbatas, hamburan anomali gelombang elektromagnetik [cahaya dalam cairan dan uap , Sinar-X dalam benda padat], neutron dalam feromagnet. Fenomena dinamis juga berubah secara signifikan, hal ini disebabkan oleh sangat lambatnya resorpsi fluktuasi yang dihasilkan. Misalnya saja mendekati kritis titik uap-cair menyempitkan garis Rayleigh hamburan cahaya, menutup Poin Curie feromagnet dan Poin Neel difusi putaran antiferromagnet melambat dll. Rabu. ukuran fluktuasi (radius korelasi) R tumbuh ketika mendekati titik faktor jenis kedua dan menjadi sangat besar pada titik ini.

Pencapaian modern dalam teori fenomena fisik jenis kedua dan fenomena kritis didasarkan pada hipotesis kesamaan. Diasumsikan jika kita menerima R per satuan pengukuran panjang, dan rata-rata. nilai parameter urutan sel dengan tepi R- per unit pengukuran parameter orde, maka keseluruhan pola fluktuasi tidak akan bergantung pada kedekatan dengan titik transisi atau pada substansi tertentu. Semuanya termodinamika. kuantitas adalah fungsi daya R. Eksponen disebut dimensi kritis (indeks). Mereka tidak bergantung pada zat tertentu dan hanya ditentukan oleh sifat parameter keteraturan. Misalnya, dimensi pada titik Curie suatu bahan isotropik, yang parameter ordenya adalah vektor magnetisasi, berbeda dengan dimensi pada titik kritis. titik cair – uap atau pada titik Curie magnet uniaksial, dimana parameter ordenya adalah besaran skalar.

Dekat titik transisi persamaan keadaan mempunyai ciri khas suatu undang-undang negara bagian yang sesuai. Misalnya saja mendekati kritis rasio titik cair-uap (p - p k) / (p l - p g) hanya bergantung pada (p - p k) / (p l - rg)* K T(di sini p - kepadatan, p k - kepadatan kritis, p l - kepadatan cairan, p g - kepadatan gas, R - tekanan, hal - tekanan kritis, K T - isotermal kompresibilitas), Selain itu, jenis ketergantungan dengan pilihan skala yang sesuai adalah sama untuk semua cairan .

Kemajuan besar telah dicapai dalam ilmu teoretis. perhitungan kritis dimensi dan persamaan keadaan sesuai dengan data eksperimen.

Perkembangan lebih lanjut dari teori fisika jenis kedua dikaitkan dengan penggunaan metode teori medan kuantum, khususnya metode kelompok renormalisasi. Metode ini pada prinsipnya memungkinkan untuk menemukan indeks kritis dengan akurasi yang diperlukan.

Pembagian fisika menjadi dua jenis agak sewenang-wenang, karena ada fisika jenis pertama dengan lompatan kecil dalam kapasitas panas dan besaran lain serta panas transisi kecil dengan fluktuasi yang sangat berkembang. Fenomena fisik adalah fenomena kolektif yang terjadi pada nilai suhu dan besaran lain yang ditentukan secara ketat hanya dalam sistem yang, dalam batasnya, memiliki sejumlah besar partikel.

Lit.: Landau L.D., Lifshits E.M., Statistical Physics, 2nd ed., M., 1964 (Theoretical Physics, vol. 5); Landau L.D., Akhiezer A.I., Lifshits E.M., Mata kuliah fisika umum. Mekanika dan fisika molekuler, edisi ke-2, M., 1969; Brayt R., Transisi fase, trans. dari bahasa Inggris, M., 1967;Fisher M., Sifat Kondisi Kritis, trans. dari bahasa Inggris, M., 1968; Stanley G., Transisi fase dan fenomena kritis, trans. dari bahasa Inggris, M., 1973; Anisimov M.A., Studi fenomena kritis dalam cairan, "Kemajuan Ilmu Fisika", 1974, v.114, v. 2; Patashinsky A.Z., Pokrovsky V.L., Teori fluktuasi transisi fase, M., 1975; Teori medan kuantum dan fisika transisi fase, trans. dari Bahasa Inggris, M., 1975 (Berita fisika fundamental, edisi 6); Wilson K., Kogut J., Grup renormalisasi dan s-ekspansi, trans. dari bahasa Inggris, M., 1975 (Berita fisika fundamental, v. 5).

DI DALAM. L.Pokrovsky.

Berdasarkan bahan tsb.

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

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_1.jpg" alt=">Jenis utama transisi fase (klasifikasi fisik)">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_2.jpg" alt=">Transisi fase dengan perubahan keadaan agregasi mendidih (kondensasi ) peleburan (kristalisasi ) sublimasi"> 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. Transisi fase alotropik (polimorfik) Transisi fase polimorfik hanya terjadi dalam agregat padat"> 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. Transisi fasa feroelektrik Diketahui zat yang, dalam kondisi tertentu kondisi mungkin beberapa"> 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. Transisi fase magnetik Diketahui sekelompok zat yang memiliki magnetisasi spontan yang tinggi tanpa adanya"> 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. Transisi fase ferro-ferromagnetik. Diketahui zat yang, pada suhu tertentu keteraturan diamati"> 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. Transisi ke keadaan superkonduktor Inti dari fenomena superkonduktivitas adalah listrik"> 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=">Kronologi peningkatan suhu transisi ke keadaan superkonduktor Struktur superkonduktor suhu tinggi HgBa2CuO4+δ">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_9.jpg" alt=">Pada suhu 2,19 K, helium cair terpisah menjadi dua fase - HeI dan 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=">Seperti yang dapat dilihat dari contoh yang dipertimbangkan, hal-hal yang sangat berbeda dapat terjadi pada sistem termodinamika 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=">Klasifikasi termodinamika transisi fasa menurut Ehrenfest">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_12.jpg" alt=">Turunan pertama energi Gibbs Turunan kedua energi Gibbs dan besaran fisika yang berkaitan dengannya">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_13.jpg" alt=">Perubahan sifat termodinamika selama transisi fasa orde pertama dan kedua">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_14.jpg" alt=">Teori termodinamika transisi fasa orde pertama Mari kita pertimbangkan teori tunggal -komponen (yaitu terdiri dari zat individu) heterogen"> Термодинамическая теория фазовых переходов I рода Рассмотрим однокомпонентную (т.е. состоящую из индивидуального вещества) гетерогенную систему, состоящую из r фаз. В однокомпонентных системах отдельные фазы представляют собой одно и то же вещество в различных фазовых состояниях. Пусть система является является закрытой (суммарное число молей ∑nr=const), а основными параметрами ее состояния служат p и T. Основной термодинамической функцией, характеризующей состояние такой системы, является энергия Гиббса G.!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_15.jpg" alt=">Untuk setiap r fase sistem ini kita dapat menuliskannya nilai yang sesuai dari parameter termodinamika"> 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=">Mari kita asumsikan untuk kesederhanaan bahwa dalam sistem heterogen satu komponen kita hanya 2 fase yang hidup berdampingan."> 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=">Kita akan mendapatkan ekspresi eksplisit untuk ketergantungan ini. Mari kita ambil memperhitungkan bahwa dalam sistem komponen tunggal,"> 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=">Berdasarkan ekspresi G=U+pV-TS, setelah diferensiasi yang kita peroleh: dG=dU+pdV+Vdp-TdS-SdT Mari kita pertimbangkan ekspresi tersebut."> 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=">Transformasi fasa terjadi pada T,p=const dan disertai dengan perubahan volume dari V1 ke 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=">Jadi, antara T dan p terdapat sambungan fungsional yang sesuai dengan kesetimbangan fasa . Oleh karena itu, jika"> 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=">Menggabungkan dua persamaan terakhir dan menyatakan V2 -V1=ΔV ( perbedaan volume molar dua fase),"> 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=">Transisi antara fase terkondensasi Untuk peleburan (transisi fase kristal - cair)"> 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=">Cairan transisi - uap (evaporasi) Jika kondisi transisi fasa (p ,T) cukup jauh dari kritis"> 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=">Transisi fase kristal - uap (sublimasi) Persamaan Clausius-Clapeyron memiliki tampilan yang sama, tapi"> 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=">Terkadang persamaan Clausius-Clapeyron untuk transisi dari fase kental ke fase gas ditulis dalam bentuk integral:"> 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=">Jadi, kita mendapat diferensial (dan untuk beberapa kasus khusus - dan integral)"> 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=">Transformasi fasa jenis kedua terjadi pada kristal selama pengurutan cacat titik (ketika struktur berubah"> 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=">Teori Landau mengasumsikan bahwa masing-masing fase sistem berbeda satu sama lain sifat fisik lainnya,"> 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 Yulia, Koban Anastasia

Karya tersebut menggambarkan transisi fase materi. Keseimbangan fase. Peleburan, kristalisasi, penguapan, kondensasi.

Unduh:

Pratinjau:

Untuk menggunakan pratinjau presentasi, buat akun Google dan masuk ke akun tersebut: https://accounts.google.com

Keterangan slide:

Pekerjaan penelitian dalam fisika: Transisi fase materi

Rencana: Area objek dan objek pekerjaan Relevansi penelitian Maksud dan tujuan penelitian Pembiasaan dengan informasi awal tentang transisi fase Jenis-jenis transisi fase Kesetimbangan fase Proses transisi fase Kesimpulan

Domain objek Fisika adalah ilmu tentang alam semesta, yang memungkinkan kita untuk mempertimbangkan dan memahami proses di sekitar kita dengan segala kehalusannya. “Hal terindah yang bisa kita alami adalah hal yang tidak bisa dipahami. Ini berfungsi sebagai sumber seni dan sains sejati.”

Objek Kajian Untuk objek kajian pada bidang ini, kita akan membahas proses transisi fasa materi.

Relevansi Topik Topik ini menarik dan relevan karena dalam beberapa tahun terakhir telah diketahui meluasnya penggunaan transisi fasa di berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi. Transisi fase dapat dikaitkan dengan penerapan efek fisik yang paling praktis. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa transisi fase adalah: Sering digunakan dalam paten dan solusi praktis.

Tujuan pekerjaan: Untuk mengenal konsep dasar ilmu pengetahuan modern tentang berbagai jenis kesetimbangan fase dan ciri-ciri fisik proses transisi materi dari satu fase ke fase lainnya.

Tujuan: Pertimbangan konsep transisi fasa; Identifikasi jenis transisi fasa dan ciri-ciri utamanya; Pertimbangan kesetimbangan fasa;

Konsep Transisi Fase Transisi fase, transformasi fase, dalam arti luas, adalah transisi suatu zat dari satu fase ke fase lainnya ketika kondisi eksternal berubah - suhu, tekanan, medan magnet dan listrik, dll. Dalam arti sempit, ini adalah perubahan sifat fisik yang tiba-tiba dengan perubahan parameter eksternal yang terus-menerus.

Jenis-jenis transisi fasa Transisi fasa dibagi menjadi tipe I dan II. Perubahan keadaan agregat suatu zat disebut transisi fasa orde pertama jika: 1) Suhu konstan selama seluruh transisi. 2) Volume sistem berubah. 3) Entropi sistem berubah. Transisi fasa orde kedua adalah transisi fasa yang turunan pertama potensial termodinamika terhadap tekanan dan suhu berubah secara terus menerus, sedangkan turunan keduanya mengalami lompatan. Secara khusus, energi dan volume suatu zat selama transisi fase orde kedua tidak berubah, tetapi kapasitas panasnya, kompresibilitasnya, berbagai kerentanannya, dll.

Diagram fase transisi fase yang menggambarkan batas orde pertama dan kedua dari fase cair dan gas

Kesetimbangan fasa Kondisi kesetimbangan fasa dapat diperoleh dari teorema termodinamika. Ketika sistem berada dalam kesetimbangan, suhu dan tekanan semua fasenya adalah sama. Jika dijaga konstan, maka potensial termodinamika sistem hanya akan berkurang. Pada kesetimbangan, ia mengambil nilai minimum. Misalkan m 1 adalah massa fase pertama, dan m 2 adalah massa fase kedua.  1 dan  2 adalah potensi termodinamika spesifik zat dalam fase ini. Potensi termodinamika seluruh sistem direpresentasikan sebagai Ф = m 1  1 + m 2  2. Jika  1   2, maka setiap transformasi fase 1 menjadi fase 2 disertai dengan penurunan Ф sampai seluruh fasa 1 berpindah ke fasa 2 yang lebih stabil. Kemudian sistem menjadi fasa tunggal, dan potensial termodinamikanya akan mencapai nilai minimum m  2. Sebaliknya jika  1   2, maka fase 2 pada akhirnya akan berubah menjadi fase 1. Hanya dengan syarat  1 (P, T) =  2 (P, T) (1) Fase-fase tersebut akan berada dalam keadaan setimbang dengan satu sama lain. Jadi, syarat kesetimbangan fasa adalah persamaan potensi termodinamika spesifiknya.

Diagram kesetimbangan fase karbon dioksida:

Arti dari kondisi (1) adalah bahwa selama transformasi fasa, nilai potensial termodinamika spesifik tetap tidak berubah. Jadi, dengan segala perubahan wujud suatu zat, potensial termodinamika spesifiknya selalu berubah terus menerus

Proses dalam transisi fasa Pertimbangkan: Penguapan dan kondensasi Peleburan dan kristalisasi Pendidihan dan pemanasan berlebih pada cairan

Penguapan dan kondensasi Peralihan wujud cair menjadi gas disebut evaporasi, peralihan wujud padat menjadi gas disebut sublimasi. Kalor yang harus diberikan pada suatu satuan massa suatu zat untuk mengubahnya menjadi uap, yang suhunya sama dengan suhu zat sebelum penguapan, disebut kalor jenis penguapan. Selama kondensasi, panas yang hilang selama penguapan dikembalikan: cairan yang terbentuk selama kondensasi memanas. Uap yang berada dalam kesetimbangan dengan cairannya disebut jenuh. Tekanan di mana terjadi kesetimbangan disebut tekanan uap jenuh.

Penguapan beberapa cairan Penguapan beberapa jenis cairan pada diagram

Pencairan dan kristalisasi Transisi benda kristal menjadi cair terjadi pada suhu tertentu untuk setiap zat dan memerlukan pelepasan sejumlah panas, yang disebut panas peleburan. Suhu leleh tergantung pada tekanan. Dengan demikian, transisi dari wujud kristal ke wujud cair terjadi dalam kondisi yang sangat spesifik, yang ditandai dengan nilai tekanan dan suhu. Himpunan nilai-nilai ini sesuai dengan kurva pada diagram (p, T), yang biasa disebut kurva leleh

Proses kristalisasi, kebalikan dari peleburan, berlangsung sebagai berikut. Ketika cairan didinginkan hingga suhu di mana fase padat dan cair dapat berada dalam kesetimbangan pada tekanan tertentu (yaitu, pada suhu yang sama dengan terjadinya peleburan), pertumbuhan kristal secara simultan dimulai di sekitar apa yang disebut inti atau kristalisasi. pusat. Tumbuh semakin banyak, masing-masing kristal akhirnya saling berdekatan, membentuk padatan polikristalin. Proses kristalisasi disertai dengan pelepasan panas dalam jumlah yang sama dengan yang diserap selama peleburan.

Meleleh

Diagram: Melting-Kristalisasi

Mendidih dan memanaskan suatu zat cair Jika zat cair dalam bejana dipanaskan pada tekanan luar yang konstan dari permukaan bebas zat cair. Proses pembentukan uap ini disebut penguapan. Setelah mencapai suhu tertentu yang disebut titik didih, pembentukan uap mulai terjadi tidak hanya dari permukaan bebas, gelembung uap tumbuh dan naik ke permukaan, membawa serta cairan itu sendiri. Proses penguapan menjadi hebat. Fenomena ini disebut mendidih. Air super panas dapat diperoleh, misalnya, dalam labu kuarsa berdinding halus. Bilas labu secara menyeluruh terlebih dahulu dengan asam sulfat, nitrat atau asam lainnya, lalu dengan air suling. Air suling dituangkan ke dalam labu yang sudah dicuci, dari mana udara yang terlarut di dalamnya dihilangkan dengan perebusan yang lama. Setelah itu, air dalam labu dapat dipanaskan di atas kompor gas hingga suhu yang jauh lebih tinggi daripada titik didihnya, namun tidak akan mendidih, tetapi hanya akan menguap secara intensif dari permukaan bebas. Hanya kadang-kadang gelembung uap terbentuk di dasar labu, yang dengan cepat tumbuh, terpisah dari dasar dan naik ke permukaan cairan, dan ukurannya bertambah besar seiring dengan kenaikannya. Kemudian airnya tetap tenang untuk waktu yang lama. Jika Anda memasukkan kuman berbentuk gas ke dalam air tersebut, misalnya dengan menambahkan sejumput teh, air tersebut akan mendidih dengan hebat, dan suhunya akan turun dengan cepat hingga titik didih. Pengalaman efektif ini sangat eksplosif.

Suhu Mendidih air pada titik didih nukleat

Kesimpulan Pekerjaan ini memungkinkan untuk mempelajari lebih lanjut tentang proses yang terjadi ketika satu keadaan suatu zat berpindah ke keadaan lain, karakteristik apa yang dimiliki masing-masing fase dan keadaan. Melihat proses di sekitar kita, kita dapat dengan mudah mengetahui bagaimana hal ini terjadi, hanya dengan mengetahui teori dasarnya. Oleh karena itu, fisika membantu kita mengetahui sebagian besar hukum ilmu pengetahuan alam yang akan membantu kita di masa depan.

Konsep fase dalam termodinamika, keadaan tersebut dianggap dalam arti yang lebih luas daripada keadaan agregasi. Menurut fase dalam termodinamika kita memahami keadaan kesetimbangan termodinamika suatu zat, yang sifat fisiknya berbeda dari kemungkinan keadaan kesetimbangan lain dari zat yang sama.. Kadang-kadang keadaan metastabil non-ekuilibrium suatu zat juga disebut fase, tetapi metastabil. Fase suatu zat mungkin berbeda dalam sifat pergerakan partikel struktural dan ada tidaknya struktur yang teratur. Fase kristal yang berbeda mungkin berbeda satu sama lain dalam jenis struktur kristal, konduktivitas listrik, sifat listrik dan magnet, dll. Fase cair berbeda satu sama lain dalam konsentrasi komponen, ada atau tidaknya superkonduktivitas, dll.

Peralihan suatu zat dari satu fasa ke fasa lainnya disebut transisi fase . Transisi fasa meliputi fenomena penguapan dan peleburan, kondensasi dan kristalisasi, dll. Dalam sistem dua fasa, fasa berada dalam kesetimbangan pada suhu yang sama. Dengan bertambahnya volume, sebagian cairan berubah menjadi uap, tetapi untuk menjaga suhu tetap konstan, sejumlah panas perlu dipindahkan dari luar. Jadi, untuk melakukan transisi dari fase cair ke sistem gas, perlu dilakukan perpindahan panas tanpa mengubah suhu sistem. Panas ini digunakan untuk mengubah keadaan fasa suatu zat dan disebut panas transformasi fasa atau panas transisi laten . Dengan meningkatnya suhu, panas laten transisi suatu zat bermassa tetap berkurang, dan pada suhu kritis sama dengan nol. Untuk mengkarakterisasi transisi fase, panas spesifik transisi fase digunakan. Panas spesifik transisi fase adalah jumlah panas laten per satuan massa suatu zat.

Transisi fasa yang disertai penyerapan atau pelepasan panas laten transisi disebut transisi fase orde pertama . Dalam hal ini, energi internal dan kepadatan berubah secara tiba-tiba. Ketika berpindah dari keadaan yang lebih teratur ke keadaan yang kurang teratur, entropi meningkat. Tabel ini menunjukkan transisi fase orde pertama dan karakteristik utamanya.

Meja. Transisi fase rad pertama dan karakteristik utamanya .

DENGAN Ada hubungan antara tekanan di mana sistem dua fase berada dalam kesetimbangan dan suhu selama transisi fase orde pertama. Hubungan ini dijelaskan . Mari kita pertimbangkan penurunan persamaan ini untuk sistem tertutup. Jika jumlah partikel dalam sistem adalah konstan, maka perubahan energi dalam, menurut hukum pertama termodinamika, ditentukan oleh ekspresi: . Kesetimbangan antar fase akan terjadi dengan syarat T 1 = T 2 dan P 1 = P 2. Mari kita perhatikan siklus Carnot reversibel yang sangat kecil (Gbr. 6.8), isotermnya sesuai dengan keadaan sistem dua fase pada suhu T dan dT. Karena parameter keadaan berubah sangat sedikit, isoterm dan adiabat pada Gambar 6.8 ditampilkan sebagai garis lurus. Tekanan dalam siklus seperti itu berubah sebesar dP. Pengoperasian sistem per siklus ditentukan dengan rumus:
. Mari kita asumsikan bahwa siklus tersebut diterapkan untuk sistem yang massa materinya sama dengan satu. Efisiensi siklus Carnot dasar dapat ditentukan dengan rumus:
atau
, Di mana L P– panas spesifik penguapan. Menyamakan ruas kanan persamaan ini dan mensubstitusikan ekspresi kerja melalui tekanan dan volume, kita memperoleh:
. Mari kita korelasikan perubahan tekanan dengan perubahan suhu dan dapatkan:

(6.23)

Persamaan (6.23) disebut Persamaan Clapeyron – Clausius . Menganalisis persamaan ini, kita dapat menyimpulkan bahwa ketika suhu meningkat, tekanan meningkat. Ini mengikuti fakta bahwa
, dan oleh karena itu
.

Persamaan Clapeyron–Clausius tidak hanya berlaku untuk transisi cair-uap. Ini berlaku untuk semua transisi orde pertama. Secara umum dapat ditulis sebagai berikut:

(6.24)

Dengan menggunakan persamaan Clapeyron–Clausius, kita dapat menyajikan diagram keadaan sistem dalam koordinat P, T (Gbr. 6.9). Dalam diagram ini, kurva 1 adalah kurva sublimasi. Ini sesuai dengan keadaan kesetimbangan dua fase: padat dan uap. Titik-titik di sebelah kiri kurva ini mencirikan keadaan padat satu fasa. Titik-titik di sebelah kanan mencirikan keadaan uap. Kurva 2 – kurva leleh. Ini sesuai dengan keadaan kesetimbangan dua fase: padat dan cair. Titik-titik di sebelah kiri kurva ini mencirikan keadaan padat satu fasa. Titik-titik yang terletak di sebelah kanannya sampai kurva 3 mencirikan keadaan cair. Kurva 3 – kurva penguapan. Ini sesuai dengan keadaan kesetimbangan dua fase: cair dan uap. Titik-titik di sebelah kiri kurva ini mencirikan keadaan cair satu fasa. Titik-titik di sebelah kanan mencirikan keadaan uap. Kurva 3, tidak seperti kurva 1 dan 2, dibatasi pada kedua sisinya. Di satu sisi - titik tiga Tr, sebaliknya - titik kritis K (Gbr. 6.9). Tiga poin menggambarkan keadaan kesetimbangan tiga fasa sekaligus: padat, cair dan uap.