Fázové prechody: hlavné typy fázových prechodov (fyzikálna klasifikácia). Fázové prechody látok Stiahnite si tabuľku teplôt chémie fázových prechodov

FÁZOVÝ PRECHOD, fázová premena, v širšom zmysle - prechod látky z jednej fázy na inú pri zmene vonkajších podmienok – teplotných, tlakových, magnetických a elektrických. polia atď.; v užšom zmysle – prudká zmena fyz. vlastnosti s neustálymi zmenami vonkajších parametrov. Rozdiel medzi dvoma interpretáciami pojmu "Ph. p." možno vidieť z nasledujúceho príkladu. V užšom zmysle, prechod látky z plynnej fázy do plazmovej fázy (pozri. Plazma) nie je F. p., keďže ionizácia plyn sa vyskytuje postupne, ale v širšom zmysle je to F. p. nazerané v užšom zmysle.

Hodnota teploty, tlaku alebo hodnoty. iné fyzické Hodnota, pri ktorej dochádza k fázovaniu, sa nazýva bod prechodu.

Existujú dva typy F. p. S fyzikou prvého druhu sa takéto termodynamické parametre prudko menia. charakteristiky látky, ako je hustota, koncentrácia zložiek; na jednotku hmotnosti sa uvoľní alebo absorbuje veľmi určité množstvo tepla, tzv. teplo prechodu. Pri F. druhého druhu existuje určitá fyzická. hodnota rovnajúca sa nule na jednej strane bodu prechodu sa postupne zvyšuje (od nuly) so vzdialenosťou od bodu prechodu k druhej strane. V tomto prípade sa hustota a koncentrácie neustále menia, teplo sa neuvoľňuje ani neabsorbuje.

F. p. je v prírode rozšíreným javom. Fyzika prvého druhu zahŕňa: vyparovanie a kondenzáciu, topenie a tuhnutie, sublimáciu a kondenzáciu do tuhej fázy, určité štrukturálne prechody v pevných látkach, napr. vzdelanie martenzit v zliatine železo-uhlík. IN antiferomagnetiká s jednou osou magnetizácie magnetických podmriežok dochádza k fázovému posunu typu I vo vonkajšom magnetickom poli nasmerovanom pozdĺž osi. Pri určitej hodnote poľa sa momenty magnetických podmriežok otáčajú kolmo na smer poľa (dochádza k „prevráteniu podmriežok“). V čistých supravodičoch spôsobuje magnetické pole fázovú zmenu prvého druhu zo supravodivého stavu do normálneho stavu .

o absolútna nula teplote a fixnom objeme je fáza s najnižšou energetickou hodnotou termodynamicky rovnovážna. Fyzika prvého druhu sa v tomto prípade vyskytuje pri tých hodnotách tlaku a vonkajších polí, pri ktorých sa porovnávajú energie dvoch rôznych fáz. Ak nezafixujete objem tela V, a tlak R, potom v termodynamickom stave. v rovnováhe, minimum je Gibbsova energia Ф (alebo G) a v bode prechodu vo fázovej rovnováhe sú fázy s rovnakými hodnotami Ф .

Mnohé látky pri nízkych tlakoch kryštalizujú do voľne zložených štruktúr. Napríklad kryštalický vodík pozostáva z molekúl umiestnených v relatívne veľkých vzdialenostiach od seba; štruktúru grafit je séria široko rozmiestnených vrstiev atómov uhlíka. Pri dostatočne vysokých tlakoch takéto voľné štruktúry zodpovedajú veľkým hodnotám Gibbsovej energie. Za týchto podmienok zodpovedajú rovnovážne tesne zbalené fázy menším hodnotám Ф. Preto sa pri vysokých tlakoch grafit premieňa na diamant, a molekulárne kryštalické. vodík sa musí stať atómovým (kovovým). Kvantové kvapaliny 3 He a 4 He zostávajú kvapalné pri normálnom tlaku až po najnižšie dosiahnuté teploty (T ~ 0,001 K). Dôvodom je slabá interakcia častíc a veľká amplitúda ich oscilácií pri tempe-pax takmer absolútnej. nula (takzvané nulové oscilácie ). Avšak zvýšenie tlaku (až o 20 bankomat pri T = 0 K) vedie k stuhnutiu tekutého hélia. Pri nenulovom temp-pax a danom tlaku a teplote je fáza s minimálnou Gibbsovou energiou stále v rovnováhe (minimálna energia, od ktorej sa odpočíta práca tlakových síl a množstvo tepla odovzdaného systému).

Fyziky prvého druhu sa vyznačujú existenciou oblasti metastabilnej rovnováhy v blízkosti krivky fyziky prvého druhu (napr. kvapalina môže byť zahriata na teplotu nad bodom varu alebo podchladená pod bod mrazu). Metastabilné stavy existujú pomerne dlho z toho dôvodu, že vznik novej fázy s nižšou hodnotou Ф (termodynamicky priaznivejšia) začína objavením sa jadier tejto fázy. Prírastok hodnoty Ф počas tvorby jadra je úmerný jeho objemu a strata je úmerná ploche povrchu (hodnota povrchová energia). Vzniknuté malé embryá sa zväčšujú F, a preto sa s veľkou pravdepodobnosťou budú zmenšovať a miznúť. Avšak jadrá, ktoré dosiahli určitú kritickú veľkosť, rastú a celá látka prechádza do novej fázy. Tvorba embrya je kritická. veľkosť je veľmi nepravdepodobný proces a vyskytuje sa pomerne zriedkavo. Pravdepodobnosť nukleácie je kritická. veľkosť sa zväčšuje, ak látka obsahuje cudzie makroskopické inklúzie. veľkosti (napríklad prachové častice v kvapaline). Z blízka kritický bod rozdiel medzi rovnovážnymi fázami a povrchovou energiou sa zmenšuje, ľahko sa tvoria jadrá veľkých rozmerov a bizarných tvarov, čo ovplyvňuje vlastnosti látky .

Príkladmi typov fázy II sú výskyt (pod teplotou určenou v každom prípade) magnetického momentu v magnete počas paramagneticko-feromagnetického prechodu, antiferomagnetické usporiadanie počas paramagneticko-feromagnetického prechodu antiferomagnet, vznik supravodivosti v kovoch a zliatinach, vznik supratekutosti v 4 He a 3 He, usporiadanie zliatin, vznik samovolnej polarizacie hmoty pri paraelektrickom prechode feroelektrické atď.

L.D. Landau(1937) navrhol všeobecnú interpretáciu všetkých fáz druhého druhu ako bodov zmeny symetrie: nad bodom prechodu má systém vyššiu symetriu ako pod bodom prechodu. Napríklad v magnete, nad bodom prechodu, smer elementárnych magnetických momentov (točí sa)častice sú rozložené chaoticky. Preto súčasné otáčanie všetkých spinov nemení fyziku. vlastnosti systému. Pod bodom prechodu majú chrbty preferovanú orientáciu. Ich súčasná rotácia mení smer magnetického momentu sústavy. Ďalší príklad: v dvojzložkovej zliatine, ktorej atómy A a B nachádza sa v uzloch jednoduchého kubického kryštálová mriežka, neusporiadaný stav je charakterizovaný chaotickou distribúciou atómov A a B na miestach mriežky, takže posun mriežky o jednu periódu nemení jej vlastnosti. Pod bodom prechodu sú atómy zliatiny usporiadané v poradí: ...ABAV... Posun takejto mriežky o periódu vedie k nahradeniu všetkých atómov A atómom B alebo naopak. V dôsledku nastolenia poriadku v usporiadaní atómov sa symetria mriežky znižuje.

Samotná symetria sa objaví a náhle zmizne. Veličina charakterizujúca asymetriu (parameter objednávky) sa však môže priebežne meniť. Pre fázy druhého druhu sa parameter poradia rovná nule nad bodom prechodu a v samotnom bode prechodu. Podobne sa správa napríklad aj magnetický moment feromagnetika. feroelektrická polarizácia, hustota supratekutej zložky v kvapaline 4 He, pravdepodobnosť detekcie atómu A v zodpovedajúcom kryštalickom uzle. dvojzložkové zliatinové mriežky atď.

Fyzika druhého druhu sa vyznačuje absenciou skokov v hustote, koncentrácii a prechodovom teple. Ale presne ten istý obraz je pozorovaný v kritickom. bod na krivke fázovej funkcie prvého druhu . Podobnosť sa ukazuje byť veľmi hlboká. Takmer kritické bod, stav hmoty možno charakterizovať veličinou, ktorá zohráva úlohu parametra objednávky. Napríklad v prípade kritického stavu body na krivke rovnováhy kvapalina-para sú odchýlkou ​​hustoty od priemernej hodnoty. Pri kritickej jazde izochóra na strane vysokej teploty je plyn homogénny a táto hodnota je nulová. Nižšie kritická teplota látka je stratifikovaná do dvoch fáz, v každej z nich odchýlka hustoty od kritickej nie je rovná nule. Keďže fázy druhého druhu sa v blízkosti fázového bodu od seba málo líšia, je možná tvorba veľkých jadier jednej fázy v druhej. (výkyvy), presne to isté ako takmer kritické. bodov. S tým súvisí veľa kritiky. javy počas fázy II druhého druhu: nekonečné zvýšenie magnetickej susceptibility feromagnetík a dielektrickej konštanty feroelektrík (analógom je zvýšenie stlačiteľnosti v blízkosti kritického bodu kvapalina-para), nekonečné zvýšenie tepelnej kapacity, anomálny rozptyl elektromagnetických vĺn [svetlo v kvapaline a pare , röntgenové žiarenie v pevných látkach], neutróny vo feromagnetikách. Výrazne sa menia aj dynamické javy, s čím súvisí aj veľmi pomalá resorpcia vzniknutých výkyvov. Napríklad takmer kritické bod kvapalina-para zužuje Rayleighovu líniu Rozptyl svetla, Zavrieť Curie body feromagnetiky a Neel body antiferomagnetiká spinová difúzia sa spomaľuje atď. Stred. veľkosť fluktuácie (korelačný polomer) R sa zvyšuje, keď sa blíži k bodu fázy II druhého druhu a v tomto bode sa stáva nekonečne veľkým.

Moderné výdobytky teórie fyzikálnych javov druhého druhu a kritických javov sú založené na hypotéze podobnosti. Predpokladá sa, že ak prijmeme R na jednotku merania dĺžky a priem. hodnota parametra poradia bunky s okrajom R- na jednotku merania parametra rádu, potom celý model fluktuácie nebude závisieť ani od blízkosti k bodu prechodu, ani od konkrétnej látky. Všetko je termodynamické. veličiny sú mocenské funkcie R. Exponenty sa nazývajú kritické dimenzie (indexy). Nezávisia od konkrétnej látky a sú určené len povahou parametra objednávky. Napríklad rozmery v Curieovom bode izotropného materiálu, ktorého radovým parametrom je vektor magnetizácie, sa líšia od rozmerov v kritickom bode. bod kvapalina - para alebo v bode Curie jednoosového magnetu, kde je parametrom poradia skalárna veličina.

V blízkosti bodu prechodu stavová rovnica má charakteristický vzhľad zákona zodpovedajúce stavy. Napríklad takmer kritické bodový pomer kvapalina-para (p - p k) / (p l - p g) závisí len od (p - p k) / (p l - r g)* K T(tu p - hustota, p k - kritická hustota, p l - hustota kvapaliny, p g - hustota plynu, R - tlak, p k - kritický tlak, K T - izotermický stlačiteľnosť), Navyše typ závislosti s vhodnou voľbou stupnice je rovnaký pre všetky kvapaliny .

V teoretickej vede sa dosiahol veľký pokrok. výpočet kritických rozmery a stavové rovnice sú v dobrej zhode s experimentálnymi údajmi.

Ďalší rozvoj teórie fyziky druhého druhu je spojený s využívaním metód kvantovej teórie poľa, najmä metódy renormalizačných skupín. Táto metóda v zásade umožňuje nájsť kritické indexy s akoukoľvek požadovanou presnosťou.

Rozdelenie fyziky na dva typy je trochu ľubovoľné, pretože existujú fyziky prvého druhu s malými skokmi tepelnej kapacity a iných veličín a malými prechodovými teplotami s vysoko rozvinutými fluktuáciami. Fyzikálny jav je kolektívny jav, ktorý sa vyskytuje pri presne definovaných hodnotách teploty a iných veličín len v systéme, ktorý má v limite ľubovoľne veľký počet častíc.

Lit.: Landau L. D., Lifshits E. M., Statistical Physics, 2. vydanie, M., 1964 (Theoretical Physics, zv. 5); Landau L. D., Akhiezer A. I., Lifshits E. M., Kurz všeobecnej fyziky. Mechanika a molekulová fyzika, 2. vydanie, M., 1969; Brayt R., Fázové prechody, prekl. z angličtiny, M., 1967;Fisher M., Povaha kritického stavu, prel. z angličtiny, M., 1968; Stanley G., Fázové prechody a kritické javy, prekl. z angličtiny, M., 1973; Anisimov M.A., Štúdie kritických javov v kvapalinách, "Pokroky vo fyzikálnych vedách", 1974, v. 114, v. 2; Patashinsky A. Z., Pokrovsky V. L., Fluktuačná teória fázových prechodov, M., 1975; Kvantová teória poľa a fyzika fázových prechodov, prekl. z angličtiny, M., 1975 (Novinky z fundamentálnej fyziky, číslo 6); Wilson K., Kogut J., Renormalization group and s-expansion, trans. z angličtiny, M., 1975 (Novinky z fundamentálnej fyziky, v. 5).

IN. L. Pokrovského.

Na základe materiálov TSB.

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

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_1.jpg" alt=">Hlavné typy fázových prechodov (fyzikálna klasifikácia)">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_2.jpg" alt=">Fázové prechody so zmenou stavu varu agregácie (kondenzácia ) topenie (kryštalizácia) sublimácia"> 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. Alotropické (polymorfné) fázové prechody Polymorfné fázové prechody sa vyskytujú iba v pevnom kamenive"> 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 prechody Látky, pre ktoré sú za určitých podmienok podmienky možno nejaké"> 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 prechody Známa je skupina látok, ktoré majú vysoká spontánna magnetizácia 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 prechody Sú známe látky, ktoré napr. pri určitých teplotách sa dodržiava usporiadanie"> 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. Prechody do supravodivého stavu Podstata fenoménu tzv. supravodivosť je to, čo 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=">Chronológia zvyšovania teploty prechodu do supravodivého stavu Štruktúra vysokoteplotný supravodič HgBa2CuO4+δ">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_9.jpg" alt=">Pri teplote 2,19 K sa kvapalné hélium rozdelí na dve fázy - 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=">Ako je možné vidieť z uvažovaných príkladov, veľmi odlišné veci môžu byť sa vyskytujú v termodynamickom systéme 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 klasifikácia fázových prechodov podľa Ehrenfesta">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_12.jpg" alt=">Prvé deriváty Gibbsovej energie Druhé deriváty Gibbsovej energie a fyzikálne veličiny, s nimi súvisiace">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_13.jpg" alt=">Zmeny termodynamických vlastností počas fázových prechodov prvého a druhého rádu">!}

Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_14.jpg" alt=">Termodynamická teória fázových prechodov prvého rádu Uvažujme jednu -zložka (t. j. pozostávajúca z jednotlivej látky) heterogénna"> 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=">Pre každú z r fáz tohto systému môžeme zapísať zodpovedajúce hodnoty termodynamických parametrov"> 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=">Pre jednoduchosť predpokladajme, že v našom jednozložkovom heterogénnom systéme len 2 koexistujúce fázy."> 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=">Získame explicitný výraz pre túto závislosť. Vezmime si do úvahy, že v jednozložkových systémoch,"> 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 základe výrazu G=U+pV-TS, po diferenciáciou dostaneme: dG=dU+pdV+Vdp-TdS-SdT Zoberme do úvahy 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 transformácia nastáva pri T,p=const a je sprevádzaná zmena 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=">Medzi T a p je teda funkčné spojenie zodpovedajúce fázovej rovnováhe Preto ak"> 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=">Spojenie posledných dvoch rovníc a označenie V2 -V1=ΔV ( rozdiel molárnych objemov dvoch fáz),"> 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=">Prechod medzi kondenzovanými fázami Na tavenie (prechod kryštalická fáza - kvapalina)"> 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=">Prechodná kvapalina - para (vyparovanie) Ak sú podmienky fázového prechodu (p ,T) sú dosť ďaleko 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=">Prechodná kryštalická fáza - para (sublimácia) Clausius-Clapeyronova rovnica má rovnaký vzhľad, 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=">Niekedy Clausiusova-Clapeyronova rovnica pre prechod z kondenzovanej fázy do plynnej fázy sa zapisuje v integrálnom tvare:"> 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 sme sa dostali do diferenciálu (a pre niektoré špeciálne prípady - a integrálne)"> 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 premeny druhého druhu sa vyskytujú v kryštáloch počas zoradenia bodové chyby (pri zmene štruktúry"> 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 teória predpokladá, že jednotlivé fázy systému sa od každého líšia iné fyzikálne 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

Práca popisuje fázové prechody hmoty. Fázová rovnováha. Topenie, kryštalizácia, odparovanie, kondenzácia.

Stiahnuť ▼:

Náhľad:

Ak chcete použiť ukážky prezentácií, vytvorte si účet Google a prihláste sa doň: https://accounts.google.com

Popisy snímok:

Výskumná práca vo fyzike: Fázové prechody hmoty

Plán: Oblasť objektu a predmet práce Relevantnosť štúdie Účel a ciele štúdie Oboznámenie sa s prvotnými informáciami o fázových prechodoch Typy fázových prechodov Fázová rovnováha Procesy vo fázových prechodoch Záver

Objektová doména Fyzika je veda o vesmíre, ktorá nám umožňuje zvážiť a pochopiť procesy, ktoré nás obklopujú, vo všetkých ich jemnostiach. „Najkrajšia vec, ktorú môžeme zažiť, je nepochopiteľné. Slúži ako zdroj skutočného umenia a vedy.“ Albert Einstein.

Predmet štúdia Za predmet štúdia v tejto oblasti budeme uvažovať o procese fázového prechodu látky.

Relevantnosť témy Táto téma je zaujímavá a relevantná, pretože v posledných rokoch je dobre známe rozšírené používanie fázových prechodov v rôznych oblastiach vedy a techniky. Fázové prechody možno klasifikovať ako najpraktickejšie aplikácie fyzikálnych efektov. Vysvetľuje to skutočnosť, že fázové prechody sú: Často používané v patentoch a praktických riešeniach.

Cieľ práce: Oboznámiť sa so základnými pojmami modernej vedy o rôznych typoch fázových rovnováh a fyzikálnych vlastnostiach procesov prechodu hmoty z jednej fázy do druhej.

Ciele: Zváženie koncepcie fázového prechodu; Identifikácia typov fázových prechodov a ich hlavných charakteristík

Pojem fázového prechodu Fázový prechod, fázová premena, v širšom zmysle, je prechod látky z jednej fázy do druhej pri zmene vonkajších podmienok – teploty, tlaku, magnetického a elektrického poľa atď. V užšom zmysle ide o prudkú zmenu fyzikálnych vlastností s kontinuálnou zmenou vonkajších parametrov.

Typy fázových prechodov Fázové prechody delíme na typ I a II Zmeny agregovaných stavov látky nazývame fázové prechody prvého rádu, ak: 1) Teplota je počas celého prechodu konštantná. 2) Zmení sa hlasitosť systému. 3) Entropia systému sa mení. Fázové prechody druhého rádu sú fázové prechody, pri ktorých sa prvé deriváty termodynamických potenciálov s ohľadom na tlak a teplotu neustále menia, zatiaľ čo ich druhé deriváty zažívajú skok. Z toho vyplýva najmä to, že energia a objem látky pri fázovom prechode druhého rádu sa nemení, ale mení sa jej tepelná kapacita, stlačiteľnosť, rôzne susceptibility atď.

Prechody fázového diagramu zobrazujúce hranice prvého a druhého rádu kvapalnej a plynnej fázy

Fázová rovnováha Podmienku pre fázovú rovnováhu možno získať z termodynamických viet. Keď je systém v rovnováhe, teploty a tlaky všetkých jeho fáz sú rovnaké. Ak sú udržiavané konštantné, potom sa termodynamický potenciál systému môže iba znižovať. V rovnováhe nadobúda minimálnu hodnotu. Nech m 1 je hmotnosť prvej fázy a m 2 hmotnosť druhej fázy.  1 a  2 sú špecifické termodynamické potenciály látky v týchto fázach. Termodynamický potenciál celého systému je reprezentovaný ako Ф = m 1  1 + m 2  2. Ak  1   2, potom každá premena fázy 1 na fázu 2 je sprevádzaná poklesom Ф kým celá fáza 1 neprejde do stabilnejšej fázy 2. Potom sa systém stane jednofázovým a jeho termodynamický potenciál dosiahne minimálnu hodnotu m  2. Naopak, ak  1   2, potom sa fáza 2 nakoniec zmení na fázu 1. Len za podmienky  1 (P, T) =  2 (P, T) (1) Fázy budú v rovnováhe s navzájom. Podmienkou fázovej rovnováhy je teda rovnosť ich špecifických termodynamických potenciálov.

Fázový rovnovážny diagram oxidu uhličitého:

Význam podmienky (1) je, že počas akýchkoľvek fázových premien zostáva hodnota špecifického termodynamického potenciálu nezmenená. Pri všetkých zmenách skupenstva látky sa teda neustále mení jej špecifický termodynamický potenciál

Procesy vo fázových prechodoch Uvažujme: Vyparovanie a kondenzácia Topenie a kryštalizácia Varenie a prehrievanie kvapaliny

Vyparovanie a kondenzácia Prechod kvapaliny do plynného skupenstva sa nazýva vyparovanie, prechod tuhej látky do plynného skupenstva sublimácia. Teplo, ktoré sa musí odovzdať jednotkovej hmotnosti látky, aby sa premenila na paru, ktorá má rovnakú teplotu, akú mala látka pred odparením, sa nazýva špecifické teplo vyparovania. Počas kondenzácie sa teplo stratené pri vyparovaní vracia späť: kvapalina vytvorená počas kondenzácie sa zahrieva. Para, ktorá je v rovnováhe so svojou kvapalinou, sa nazýva nasýtená. Tlak, pri ktorom nastáva rovnováha, sa nazýva tlak nasýtených pár.

Odparovanie niektorých kvapalín Vyparovanie niektorých typov kvapalín v diagrame

Topenie a kryštalizácia Prechod kryštalického telesa do kvapalného stavu nastáva pri teplote špecifickej pre každú látku a vyžaduje si vynaloženie určitého množstva tepla, ktoré sa nazýva teplo topenia. Teplota topenia závisí od tlaku. K prechodu z kryštalického do kvapalného stavu teda dochádza za veľmi špecifických podmienok charakterizovaných hodnotami tlaku a teploty. Súbor týchto hodnôt zodpovedá krivke na (p, T) diagrame, ktorá sa zvyčajne nazýva krivka topenia

Proces kryštalizácie, obrátený k taveniu, prebieha nasledovne. Keď sa kvapalina ochladí na teplotu, pri ktorej môžu byť pevná a kvapalná fáza pri danom tlaku v rovnováhe (t. j. na rovnakú teplotu, pri ktorej došlo k topeniu), súčasný rast kryštálov začína okolo takzvaných jadier alebo kryštalizácie. stredísk. Jednotlivé kryštály, ktoré stále viac a viac rastú, sa nakoniec približujú k sebe a vytvárajú polykryštalickú pevnú látku. Proces kryštalizácie je sprevádzaný uvoľňovaním rovnakého množstva tepla, ktoré sa absorbuje počas tavenia.

Topenie

Schéma: Tavenie-kryštalizácia

Var a prehrievanie kvapaliny Ak sa kvapalina v nádobe ohrieva pri konštantnom vonkajšom tlaku od voľného povrchu kvapaliny. Tento proces tvorby pár sa nazýva vyparovanie. Po dosiahnutí určitej teploty, nazývanej bod varu, sa začína vytvárať para nielen z voľnej hladiny, bublinky pary rastú a stúpajú na povrch, pričom so sebou nesú samotnú kvapalinu. Proces odparovania sa stáva násilným. Tento jav sa nazýva var. Prehriatu vodu je možné získať napríklad v kremennej banke s hladkými stenami. Banku dôkladne vypláchnite najskôr kyselinou sírovou, dusičnou alebo inou kyselinou a potom destilovanou vodou. Do umytej banky sa naleje destilovaná voda, z ktorej sa dlhším varom odstráni vzduch v nej rozpustený. Potom sa voda v banke môže zohriať na plynovom horáku na teplotu výrazne vyššiu ako je bod varu, a predsa nebude vrieť, ale bude sa len intenzívne odparovať z voľného povrchu. Len občas sa na dne banky vytvorí bublina pary, ktorá rýchlo rastie, oddeľuje sa od dna a stúpa na povrch kvapaliny a jej veľkosť sa pri stúpaní veľmi zväčšuje. Potom zostáva voda dlho pokojná. Ak sa do takejto vody dostane plynný zárodok, napríklad vhodením štipky čaju, dôjde k prudkému varu a jeho teplota rýchlo klesne k bodu varu. Táto efektívna skúsenosť je výbušná.

Var Teplota vody pri vare jadier

Záver Táto práca umožnila dozvedieť sa viac o procesoch, ktoré sa vyskytujú, keď jeden stav látky prechádza do iného, ​​aké vlastnosti má každá z fáz a stavov. Keď vidíme procesy okolo nás, môžeme ľahko povedať, ako sa to deje, pretože poznáme iba základnú teóriu. Fyzika nám preto pomáha poznať väčšinu zákonitostí prírodných vied, ktoré nám pomôžu v budúcnosti.

koncepcia fáza v termodynamike sa o nich uvažuje v širšom zmysle ako o stavoch agregácie. Podľa fáza v termodynamike rozumieme termodynamicky rovnovážny stav látky, ktorá sa fyzikálnymi vlastnosťami líši od ostatných možných rovnovážnych stavov tej istej látky.. Niekedy sa nerovnovážny metastabilný stav látky nazýva aj fáza, ale metastabilný. Fázy látky sa môžu líšiť v povahe pohybu štruktúrnych častíc a prítomnosti alebo neprítomnosti usporiadanej štruktúry. Rôzne kryštalické fázy sa môžu navzájom líšiť typom kryštálovej štruktúry, elektrickou vodivosťou, elektrickými a magnetickými vlastnosťami atď. Kvapalné fázy sa navzájom líšia koncentráciou zložiek, prítomnosťou alebo neprítomnosťou supravodivosti atď.

Prechod látky z jednej fázy do druhej sa nazýva fázový prechod . Fázové prechody zahŕňajú javy vyparovania a topenia, kondenzácie a kryštalizácie atď. V dvojfázovom systéme sú fázy v rovnováhe pri rovnakej teplote. Pri zväčšovaní objemu sa časť kvapaliny mení na paru, ale na udržanie konštantnej teploty je potrebné odovzdať určité množstvo tepla zvonku. Na uskutočnenie prechodu z kvapalnej fázy do plynného systému je teda potrebné prenášať teplo bez zmeny teploty systému. Toto teplo ide zmeniť fázový stav látky a je tzv teplo fázovej premeny alebo latentné teplo prechodu . S rastúcou teplotou sa latentné teplo prechodu pevnej hmoty látky znižuje a pri kritickej teplote sa rovná nule. Na charakterizáciu fázového prechodu sa používa špecifické teplo fázového prechodu. Špecifické teplo fázového prechodu je množstvo latentného tepla na jednotku hmotnosti látky.

Fázové prechody s absorpciou alebo uvoľnením latentného tepla prechodu sa nazývajú fázové prechody prvého rádu . V tomto prípade sa vnútorná energia a hustota náhle zmenia. Pri prechode z viac usporiadaného stavu do menej usporiadaného stavu sa entropia zvyšuje. V tabuľke sú uvedené fázové prechody prvého rádu a ich hlavné charakteristiky.

Tabuľka. Fázové prechody prvého radu a ich hlavné charakteristiky .

S Existuje súvislosť medzi tlakom, pri ktorom je dvojfázový systém v rovnováhe, a teplotou pri fázových prechodoch prvého rádu. Toto spojenie je popísané . Uvažujme o odvodení tejto rovnice pre uzavreté systémy. Ak je počet častíc v systéme konštantný, potom je zmena vnútornej energie podľa prvého zákona termodynamiky určená výrazom: . Rovnováha medzi fázami nastane za predpokladu, že T1 = T2 a P1 = P2. Uvažujme infinitezimálny reverzibilný Carnotov cyklus (obr. 6.8), ktorého izotermy zodpovedajú stavu dvojfázového systému pri teplotách T a dT. Keďže stavové parametre sa menia nekonečne málo, izotermy a adiabaty na obr. 6.8 sú znázornené ako priame čiary. Tlak v takomto cykle sa mení o hodnotu dP. Prevádzka systému na cyklus je určená vzorcom:
. Predpokladajme, že cyklus je implementovaný pre systém, ktorého hmotnosť hmoty sa rovná jednej. Účinnosť takéhoto základného Carnotovho cyklu možno určiť pomocou vzorcov:
alebo
, Kde L P– špecifické výparné teplo. Prirovnaním pravých strán týchto rovníc a nahradením výrazu za prácu prostredníctvom tlaku a objemu dostaneme:
. Dáme do korelácie zmenu tlaku so zmenou teploty a získame:

(6.23)

Volá sa rovnica (6.23). Clapeyron-Clausiusova rovnica . Analýzou tejto rovnice môžeme konštatovať, že so zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje tlak. Vyplýva to zo skutočnosti, že
, a preto
.

Clapeyron-Clausiusova rovnica je aplikovateľná nielen na prechod kvapalina-para. Platí pre všetky prechody prvého rádu. Vo všeobecnosti sa to dá napísať takto:

(6.24)

Pomocou Clapeyron-Clausiusovej rovnice môžeme prezentovať stavový diagram systému v súradniciach P, T (obr. 6.9). V tomto diagrame je krivka 1 sublimačná krivka. Zodpovedá rovnovážnemu stavu dvoch fáz: tuhej a parnej. Body ležiace naľavo od tejto krivky charakterizujú jednofázový pevný stav. Body napravo charakterizujú stav pary. Krivka 2 – krivka topenia. Zodpovedá rovnovážnemu stavu dvoch fáz: pevnej a kvapalnej. Body ležiace naľavo od tejto krivky charakterizujú jednofázový pevný stav. Body ležiace napravo od neho až po krivku 3 charakterizujú kvapalný stav. Krivka 3 – krivka vaporizácie. Zodpovedá rovnovážnemu stavu dvoch fáz: kvapaliny a pary. Body ležiace naľavo od tejto krivky charakterizujú jednofázové kvapalné skupenstvo. Body napravo charakterizujú stav pary. Krivka 3 je na rozdiel od kriviek 1 a 2 obmedzená na oboch stranách. Na jednej strane - trojitá bodka Tr, na druhej strane - kritický bod K (obr. 6.9). Trojitý bod opisuje rovnovážny stav troch fáz naraz: tuhej, kvapalnej a parnej.