ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 1

Мамарузиев Т.О.

студент группы ГЭс-181.2 Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева филиал

КУз ГТУ в г. Прокопьевске

Научный руководитель: Сигаева В.В.

Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева филиал

КУз ГТУ в г. Прокопьевске

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ

Аннотация: данная статья посвящается объяснить понятие студентам о фазах и фазовых переходах.

Ключевые слова: фаза, переходы, вещество, газ, кристаллизация, формула, условие, железа, критическая точка.

1-тип и П-тип фазовых переходов. Фазой называют состояние термодинамического равновесия, которое отличается от состояния возможного равновесия вещества по своим физическим свойствам.

Вещество может находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Примером таких состояний могут служить фазы вещества. Но понятие фаза шире понятия агрегатное состояние. В рамках одного и того же агрегатного состояния вещества вещество может находиться в нескольких фазах, то есть в разных проявлениях, которые отличаются друг от друга по своему составу и строению. Например, твердое тело - лед может встречаться в 5 различных кристаллических проявлениях (фазах). Газ может быть как атомно - молекулярным, так и ионизированным (плазменным). Плазма, в свою очередь, может быть представлена

несколькими видами (газовая, разрядная, изотермическая и высокотемпературная плазма). От того, в какой фазе находится вещество, зависит отношение между средней кинетической кТ и средней потенциальной энергией (Р) частиц вещества (атомов, молекул, ионов).

Если кТ >> Р, вещество находится в газообразном состоянии, поскольку интенсивное движение частиц препятствует их объединению. При Р >> кТ вещество находится в твердом состоянии. В этом случае частицы сближаются и располагаются в определенном порядке. При Р ~ кТ вещество находится в жидком состоянии. В этом случае частицы могут двигаться за счет тепла, но не выходить за пределы определенного минимального расстояния. Вышеуказанное соотношение, в свою очередь, зависит от внешних условий: температуры и давления. При высоких температурах и низких давлениях вещество является твердым, промежуточные значения температуры и давления соответствуют жидкому состоянию вещества. Таким образом, фазовые переходы вещества происходят из-за изменений температуры и давления. В результате фазового перехода свойства вещества качественно изменяются. Примерами фазовых переходов являются переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое или изменения в составе, структуре и свойствах (например, переход кристаллического вещества из одной модификации в другую).

Существует два типа фазовых переходов. Фазовый переход I - типа (например, плавление, кристаллизация и другие) происходит при поглощении или выделении определенного количества тепла, называемого теплом фазового перехода. Фазовые переходы типа I характеризуются изменениями температуры, энтропии и объема. Это можно объяснить следующим образом: например, чтобы сломать кристаллическую решетку при плавлении, необходимо передать ей определенное количество тепла. При этом выделяемая тепловая энергия расходуется не на нагрев тела, а на разрыв межатомных связей, поэтому плавление происходит при постоянной температуре. От кристаллического состояния, при котором такой порядок выше, степень хаоса увеличивается при переходе в жидкое состояние с низким уровнем порядка, а энтропия системы в таком процессе увеличивается по закону термодинамики II. Если процесс

идет в обратном направлении (кристаллизация), то выделяется тепло.

240

Переходы, не связанные с поглощением или разложением тепла, изменением объема, называются фазовыми переходами II типа. Такие переходы характеризуются изменением объема и энтропии и скачком теплоемкости. Фазовые переходы II типа объясняются в работах Л.Д.Ландана. Согласно ему фазовые переходы II типа связаны с изменением симметрии: при температурах, превышающих переходную температуру фазового перехода, степень симметрии системы будет выше, чем при температурах, превышающих переходную. Переход ферромагнитного вещества (железа, никеля) в парамагнитное состояние при определенных давлениях и температурах к фазовым переходам II типа; переход металлов и некоторых сплавов в сверхпроводящее состояние, характеризующееся скачком электрического сопротивления при температурах около 0 К; переход обычного жидкого гелия (гелия I) в жидкую модификацию (гелий II), обладающую сверхпроводящими свойствами при T=2,9К.

Условие, что фазы находятся в равновесии. Чтобы понять, что составляющие и соприкасающиеся фазы системы находятся в равновесии между собой, рассмотрим двухфазную систему, состоящую из жидкости и ее пара. Пусть в начальный момент в какой-то части объема емкости образуется жидкость, а в остальной части-пустота. Это пространство начинают занимать молекулы, которые переходят из воды в газообразную фазу, выходящую за счет испарения: давление пара увеличивается. С увеличением давления увеличивается и количество молекул, которые переходят из газообразной фазы в жидкую фазу. При каком-то значении давления пара для заданной температуры количество молекул, выходящих из жидкости и возвращающихся к ней, в любой промежуток времени остается равным между собой. Количество вещества в каждой фазе, образующей систему, со временем остается неизменным, то есть между жидкой фазой и газообразной фазой возникает динамический баланс.

Видно, что для создания статистического баланса между фазами:

1. Температура должна быть одинаковой во всех частях системы и не должна меняться со временем.

2. Давление во всех частях системы одинаково и не должно меняться со

временем. Теперь объем пара в равновесии с жидкостью уменьшается (или

увеличивается) за счет перемещения поршня. При увеличении (уменьшении) давления

241

пара равновесие системы нарушается. Когда дополнительная часть пара (жидкости) превращается в жидкость (пар), система возвращается в равновесие. Это означает, что в таких условиях наблюдается фазовый цикл, причем некоторые фазы увеличиваются, а другие уменьшаются. Третья предпосылка баланса фаз заключается в том, что масса каждой фазы в системе должна оставаться неизменной во времени.

Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Критическая точка. Изменение температуры при изменении давления во время фазового перехода может быть определено с использованием уравнения Клапейрона-Клаузиуса:

Т(У2 - VI)

L

Где Ь - это температура фазового перехода (например, теплота испарения, теплота плавления), V и VI - изменения объема от одной фазы к другой, а Т -температура перехода. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса позволяет определить отклонение линий равновесия. Поскольку Ь и Т положительные, отклонение определяется знаком V2 и VI. При испарении жидкостей и сублимации твердых тел объем вещества увеличивается, поэтому dP / dT> 0 означает, что в таких процессах увеличение внешнего давления приводит к повышению температуры и наоборот. При плавлении большинства веществ объем обычно увеличивается, что означает, что увеличение давления приводит к повышению температуры плавления. Для некоторых веществ (N20, Ge, чугун) объем жидкой фазы меньше, чем объем твердой фазы, т.е. ёТ / dP <0, поэтому повышение давления приводит к снижению температуры плавления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Избранные главы физики. Магнетизм, магнитный резонанс, фазовые переходы. С. В. Иванов, П. С. Мартышко 2018г.

Неравновесные фазовые переходы и самоорганизация в физике, химии и биологии. Герман Хакен. 2015.