Назва роботи: Поняття фази. Фазові переходи 1 і 2 роду. Фазові діаграми. Потрійна точка
Предметна область: Фізика
Опис: Поняття фази. У однокомпонентной системі різні фази можуть бути представлені різними агрегатними станами або різними поліморфними модифікаціями речовини. У багатокомпонентної системі фази можуть мати різний склад і структуру. Основні поняття Газ завжди складається з однієї фази рідина може складатися з декількох рідких фаз різного складу Ліквація рідинна несмешиваемость але двох різних рідин одного складу в рівновазі співіснувати не може.
Розмір файлу: 57 KB
Роботу скачали: 139 чол.
57.Понятіе фази. Фазові переходи 1 і 2 роду. Фазові діаграми. Потрійна точка.
термодинамічна фаза # 151; термодинамічно однорідна за складом і властивостями частина термодинамічної системи, відокремлена від інших фаз поверхнями розділу, на яких стрибком змінюються деякі властивості системи. Інше визначення: Фаза # 151; гомогенна частина гетерогенної системи. У однокомпонентной системі різні фази можуть бути представлені різними агрегатними станами або різними поліморфними модифікаціями речовини. У багатокомпонентної системі фази можуть мати різний склад і структуру.
Газ завжди складається з однієї фази, рідина може складатися з декількох рідких фаз різного складу (Ліквація, рідинна несмешиваемость), але двох різних рідин одного складу в рівновазі співіснувати не може. Речовина в твердому стані може складатися з декількох фаз, причому деякі з них можуть мати однаковий склад, але різну структуру (поліморфні модифікації, аллотропия).
Різні фази володіють різними варіантами упаковки молекул (для кристалічних фаз, різними кристалічними гратами), і, отже, своїми характерними значеннями коефіцієнта стисливості, коефіцієнта теплового розширення і іншими характеристиками. Крім того, різні фази можуть мати різні електричними (сегнетоелектрики), магнітними (феромагнетики), і оптичними властивостями (наприклад, твердий кисень).
Термодинамічні фази на фазовій діаграмі
Типові види фазових діаграм. Зелена лінія з точок показує аномальну поведінку води
На фазовій діаграмі речовини різні термодинамічні фази займають певні області. Лінії, що розділяють різні термодинамічні фази, називаються лініями фазового переходу. Якщо речовина знаходиться в умовах, що відповідають точці всередині будь-якої області, то воно повністю знаходиться в цій термодинамічної фазі. Якщо ж стан речовини відповідає точці на одній з ліній фазових переходів, то речовина в термодинамічній рівновазі може перебувати частково в одній, а частково в іншій фазі. Пропорція двох фаз визначається, як правило, повною енергією, запасеної системою.
При повільному (адіабатичному) зміні тиску або температури речовина описується рухається точкою на фазовій діаграмі. Якщо ця точка в своєму русі перетинає одну з ліній, що розділяють термодинамічні фази, відбувається фазовий перехід, при якому фізичні властивості речовини змінюються стрибкоподібно.
Не всі фази повністю відокремлені один від одного лінією фазового переходу. У деяких випадках ця лінія може обриватися, закінчуючись критичною точкою. В цьому випадку можливий поступовий, а не стрибкоподібний перехід з однієї фази в іншу, в обхід лінії фазових переходів.
Точка на фазовій діаграмі, де сходяться три лінії фазових переходів, називається потрійною точкою. Зазвичай під потрійною точкою речовини мається на увазі окремий випадок, коли сходяться лінії плавлення, кипіння і сублімації, проте на достатньо багатих фазових діаграмах може бути декілька потрійних точок. Речовина в потрійній точці в стані термодинамічної рівноваги може частково знаходитися у всіх трьох фазах. На багатовимірних фазових діаграмах (тобто якщо окрім температури і тиску присутні інші інтенсивні величини) можуть існувати четверні і т. Д. Точки.
Термодинамічні фази і агрегатні стани речовини
Набір термодинамічних фаз речовини звичайно значно багатший набору агрегатних станів, тобто один і той же агрегатний стан речовини може знаходитися в різних термодинамічних фазах. Саме тому опис речовини в термінах агрегатних станів досить огрублённое, і воно не може розрізнити деякі фізичні різні ситуації.
Багатий набір термодинамічних фаз пов'язаний, як правило, з різними варіантами порядку, які допускаються в тому чи іншому агрегатному стані.
У газоподібному стані речовина не володіє ніяким порядком. Відповідно, в газоподібному стані будь-яка речовина володіє тільки однією термодинамічної фазою. (Фазові переходи типу дисоціації молекул або іонізації є, за визначенням, переходами однієї речовини в іншу).
Рідина має орієнтаційний порядком. але, як правило, не володіє трансляційним порядком. В результаті у однієї і тієї ж рідини можуть бути різні термодинамічні фази, однак кількість їх рідко перевищує одиницю. Так, наприклад, існування нової рідкої фази виявлено в переохолоджених воді. Інший, специфічний, приклад: надтекучий стан в рідкому гелії.
Кристалічна тверде тіло має як трансляційним. так і орієнтаційний порядком. В результаті навіть виникає велике число можливих варіантів орієнтації сусідніх молекул один щодо одного, які можуть виявитися енергетично вигідними при тих чи інших тиску і температурі. В результаті тверді тіла мають, як правило, досить складною фазовою діаграмою.
Класифікація фазових переходів
При фазовому переході першого роду стрибкоподібно змінюються найголовніші, первинні екстенсивні параметри: питома обсяг (тобто щільність), кількість запасеної внутрішньої енергії. концентрація компонентів і т. п. Підкреслимо: мається на увазі стрибкоподібне зміна цих величин при зміні температури, тиску і т. п. а не стрибкоподібне зміна в часі (щодо останнього див. нижче розділ Динаміка фазових переходів).
Найбільш поширені приклади фазових переходів першого роду:
плавлення і затвердіння, кипіння і конденсація. сублімація і десублімації
При фазовому переході другого роду щільність і внутрішня енергія не змінюються, так що неозброєним оком такий фазовий перехід може бути непомітний. Стрибок ж відчувають їх другі похідні по температурі і тиску: теплоємність, коефіцієнт теплового розширення, різні сприйнятливості і т. Д.
Фазові переходи другого роду відбуваються в тих випадках, коли змінюється симетрія будови речовини (симетрія може повністю зникнути або зменшитися). Опис фазового переходу другого роду як наслідок зміни симетрії дається теорією Ландау. В даний час прийнято говорити не про зміну симетрії, але про появу в точці переходу параметра порядку. рівного нулю в менш впорядкованої фазі і змінюється від нуля (в точці переходу) до ненульових значень в більш упорядкованим фазі.
Найбільш поширені приклади фазових переходів другого роду:
проходження системи через критичну точку
перехід парамагнетик - феромагнетик або парамагнетик-антиферромагнетик (параметр порядку # 151; намагніченість)
перехід металів і сплавів в стан надпровідності (параметр порядку # 151; щільність надпровідного конденсату)
перехід рідкого гелію в надтекучий стан (п.п. # 151; щільність сверхтекучей компоненти)
перехід аморфних матеріалів в склоподібний стан
Сучасна фізика досліджує також системи, що володіють фазовими переходами третього або більш високого роду.
Останнім часом широкого поширення набуло поняття квантовий фазовий перехід. тобто фазовий перехід, керований не класичний тепловими флуктуаціями. а квантовими, які існують навіть при абсолютному нулі температур. де класичний фазовий перехід не може реалізуватися внаслідок теореми Нернста.
Потрійна точка # 151; точка на фазовій діаграмі, де сходяться три лінії фазових переходів. Потрійна точка # 151; це одна з характеристик хімічної речовини. Зазвичай потрійна точка визначається значенням температури і тиску, при якому речовина може равновесно знаходиться в трьох (звідси і назва) агрегатних станах # 151; твердому, рідкому і газоподібному. У цій точці сходяться лінії плавлення, кипіння і сублімації.
У більш загальному випадку можуть розглядатися й інші фази речовини, що не відповідають різним агрегатним станам. На досить багатих фазових діаграмах може бути декілька потрійних точок. Речовина в потрійній точці в стані термодинамічної рівноваги може частково знаходитися у всіх трьох фазах. На багатовимірних фазових діаграмах (тобто якщо окрім температури і тиску присутні інші інтенсивні величини) можуть існувати четверні і т. Д. Точки.