Acasă Îngrășăminte În timpul unei tranziții de fază, substanța se schimbă. Faze și tranziții de fază. Instrumentatie si informatica

Îngrășăminte

În timpul unei tranziții de fază, substanța se schimbă. Faze și tranziții de fază. Instrumentatie si informatica

P, adică T și alți parametri, se modifică brusc cu o schimbare continuă a acestor parametri. În acest caz, căldura de tranziție este eliberată sau absorbită. Într-un sistem monocomponent, căldura de tranziție T 1 este legată de presiunea Clapeyron-Clausius p 1 prin ecuația dp 1 /dT 1 = QIT 1 DV, unde Q este căldura de tranziție, DV este saltul de volum. Tranzițiile de fază de primul fel sunt caracterizate prin fenomene de histerezis (de exemplu, supraîncălzirea sau suprarăcirea uneia dintre faze), necesare pentru formarea nucleelor unei alte faze și apariția tranzițiilor de fază la o rată finită. În absența nucleelor stabili, faza supraîncălzită (suprarăcită) se află într-o stare de echilibru metastabil (vezi Nuclearea unei noi faze). Aceeași fază poate exista (deși metastabilă) pe ambele părți ale punctului de tranziție din diagrama de fază (cu toate acestea, faza cristalină nu poate fi supraîncălzită peste temperatura de topire sau sublimare). La punctul tranziții de fază Energia Gibbs de tip I G în funcție de parametrii de stare este continuă (a se vedea figura din articol. Diagrama de stare), iar ambele faze pot coexista atât timp cât se dorește, adică așa-numita. separarea fazelor (de exemplu, coexistența unui lichid și vaporii acestuia sau a unui solid și a unei topituri pentru un volum total dat al sistemului).

F Tranzițiile de bază de primul fel sunt fenomene larg răspândite în natură. Acestea includ evaporarea și condensarea din faza gazoasă în faza lichidă, topirea și solidificarea, sublimarea și condensarea (desublimarea) din faza gazoasă în faza solidă, majoritatea transformărilor polimorfe, anumite tranziții structurale în solide, de exemplu, formarea martensitei într-un fier- aliaj de carbon. Supraconductorii puri au un câmp magnetic destul de puternic. câmpul provoacă tranziții de fază de ordinul întâi de la starea supraconductivă la starea normală.

În timpul tranzițiilor de fază de al doilea fel, valoarea G în sine și primele derivate ale lui G în raport cu T, p și alți parametri de stare se modifică continuu, iar derivatele secunde (respectiv, capacitatea termică, coeficientul de compresibilitate și dilatarea termică) cu o continuă modificarea parametrilor se modifică brusc sau sunt singulare. Căldura nu este eliberată sau absorbită, fenomenele de histerezis și stările metastabile sunt absente. LA tranziții de fază Tipul II, observat la schimbările de temperatură, include, de exemplu, tranzițiile de la o stare paramagnetică (dezordonată) la o stare ordonată magnetic (fero- și ferimagnetic la punctul Curie, antiferomagnetic la punctul Neel) cu apariția unei magnetizări spontane ( respectiv in intreaga retea sau in fiecare din subretele magnetice); tranziție dielectric-feroelectrică cu apariția polarizării spontane; apariția unei stări ordonate în solide (în ordonarea aliajelor); tranziție smectică cristale lichide în nematică fază, însoțită de o creștere anormală a capacității termice, precum și de tranziții între diferite. smectic faze; l -tranzitie in 4 He, insotita de aparitia conductibilitatii termice anormal de ridicate si a superfluiditatii (vezi Heliu); trecerea metalelor la starea supraconductoare în absența unui magnet. câmpuri.

Tranziții de fază poate fi asociată cu modificări ale presiunii. Multe substanțe cristalizează la presiuni scăzute în structuri slab împachetate. De exemplu, structura grafitului este o serie de straturi de atomi de carbon distanțate larg unul de celălalt. La presiuni suficient de mari, astfel de structuri libere corespund unor valori mari ale energiei Gibbs, iar fazele de echilibru apropiate corespund unor valori mai mici. Prin urmare, la presiuni mari, grafitul se transformă în diamant. Lichidele cuantice 4 He și 3 He la presiune normală rămân lichide până la cele mai scăzute temperaturi atinse aproape de presiunea absolută. zero. Motivul pentru aceasta este interacțiunea slabă. atomi și amplitudinea mare a „vibrațiilor zero” lor (probabilitate mare de tunel cuantic de la o poziție fixă la alta). Cu toate acestea, creșterea presiunii face ca heliul lichid să se solidifice; de exemplu, 4 He la 2,5 MPa formează hexagen, o rețea compactă.

Interpretare generală tranziții de fază Tipul II a fost propus de L. D. Landau în 1937. Deasupra punctului de tranziție, sistemul, de regulă, are o simetrie mai mare decât sub punctul de tranziție, prin urmare, o tranziție de fază de ordinul II este interpretată ca un punct de schimbare a simetriei. De exemplu, într-un feromagnet, deasupra punctului Curie, direcțiile magneților de spin. momentele particulelor sunt distribuite haotic, astfel încât rotația simultană a tuturor spinurilor în jurul aceleiași axe cu același unghi nu modifică fizicul. Sf. în sistem. Sub punctul de tranziție, spatele au avantaje. orientarea, iar rotirea articulației lor în sensul de mai sus schimbă direcția câmpului magnetic. momentul sistemului. Într-un aliaj cu două componente, atomii A și B sunt localizați la nodurile unui cubic simplu. cristalin zăbrele, starea dezordonată este caracterizată de haotică. distribuția lui A și B peste nodurile rețelei, astfel încât deplasarea rețelei cu o perioadă nu schimbă proprietatea. Sub punctul de tranziție, atomii aliajului sunt aranjați ordonat: ...ABAB... O deplasare a unei astfel de rețele cu o perioadă duce la înlocuirea tuturor atomilor A cu B și invers. T. Arr., simetria rețelei scade, deoarece subrețelele formate din atomii A și B devin neechivalente.

Simetria apare și dispare brusc; în acest caz, încălcarea simetriei poate fi caracterizată prin fizică. mărimea, muchiile în timpul tranzițiilor de fază de al doilea fel se modifică continuu și sunt numite. parametrul de comandă. Pentru lichide pure, acest parametru este densitatea, pentru soluții - compoziție, pentru fero- și ferimagneți - magnetizare spontană, pentru feroelectrice - electrice spontane. polarizare, pentru aliaje - proporția de atomi ordonați pentru smectic. cristale lichide - amplitudinea undei de densitate etc. În toate cazurile de mai sus, la temperaturi peste punctul de tranziție de fază de al doilea fel, parametrul de ordine este egal cu zero, sub acest punct începe creșterea sa anormală, ducând la un max. valoare la T = O.

Absența căldurii de tranziție, a salturilor de densitate și a concentrațiilor, caracteristice tranzițiilor de fază de ordinul doi, se observă și în condiții critice. punct pe curbele tranzițiilor de fază de ordinul întâi (vezi Fenomene critice). Asemănarea se dovedește a fi foarte profundă. Starea proprietății este aproape critică. punctele pot fi caracterizate și printr-o cantitate care joacă rolul unui parametru de comandă. De exemplu, în cazul echilibrului lichid-vapori, un astfel de parametru este abaterea densității substanței de la valoarea critică. valori: la deplasare critică izocor pe partea de temperatură înaltă, gazul este omogen și abaterea densității de la critică. valorile sunt zero și sub critice. t-ry substanța este stratificată în două faze, în fiecare dintre ele abaterea densității de la cea critică nu este egală cu zero.

Deoarece în apropierea punctului unei tranziții de fază de ordinul doi fazele diferă puțin între ele, existența unor fluctuații ale parametrului de ordin este posibilă, la fel ca în apropierea punctului critic. puncte. Există critici asociate cu asta. fenomene în punctele tranzițiilor de fază de al doilea fel: creșterea anormală a mag. susceptibilitatea feromagneților și a dielectricilor. susceptibilitatea feroelectricilor (un analog este creșterea compresibilității în apropierea punctului critic al tranziției lichid-vapor); o creștere bruscă a capacității de căldură; împrăștierea anormală a undelor luminoase în sistem

Faza termodinamica– o parte a unui sistem termodinamic care este termodinamic omogen în proprietăți, separată de alte faze prin interfețe pe care unele proprietăți ale sistemului se modifică brusc1.

Într-un sistem monocomponent, diferite faze pot fi reprezentate prin diferite stări de agregare sau diverse modificări polimorfe ale substanţei. Într-un sistem multicomponent, fazele pot avea compoziții și structuri diferite.

Un gaz constă întotdeauna dintr-o fază, un lichid poate fi format din mai multe faze lichide de compoziții diferite, dar două lichide diferite de aceeași compoziție nu pot coexista în echilibru. O substanță în stare solidă poate consta din mai multe faze, dintre care unele pot avea aceeași compoziție, dar o structură diferită (modificări polimorfe, alotropie).

Starea de agregare- o stare a materiei caracterizată prin anumite proprietăți calitative - capacitatea sau incapacitatea de a menține volumul și forma, prezența sau absența ordinii pe distanță lungă și scurtă și altele.

O schimbare a stării de agregare este însoțită de o schimbare bruscă a energiei libere, entropiei, densității și a altor proprietăți fizice de bază. Se disting următoarele stări de agregare: solid, lichid, gaz, plasmă.

Setul de faze termodinamice ale unei substanțe este de obicei mult mai bogat decât setul de stări agregate, adică aceeași stare agregată a unei substanțe poate fi în diferite faze termodinamice (gheața, de exemplu, se găsește în cinci modificări diferite - faze) . De aceea, descrierea materiei în termeni de stări de agregare este destul de grosieră și nu poate face distincția între unele situații fizice diferite.

În orice caz, în prezența unei separări de fază, este implicată posibilitatea fundamentală a trecerii unei substanțe de la o fază la alta.

Faza de tranzitie(transformare de fază) în termodinamică - trecerea unei substanțe de la o fază termodinamică la alta atunci când condițiile externe se schimbă.

Valoarea temperaturii, presiunii sau a oricărei alte mărimi fizice la care au loc tranzițiile de fază într-un sistem monocomponent se numește punct de tranziție.

Un exemplu de tranziție de fază pot fi schimbări în starea agregată a unei substanțe sau tranzițiile asociate cu modificări ale compoziției, structurii și proprietăților unei substanțe (de exemplu, tranziția unei substanțe cristaline de la o modificare la alta).

Deoarece diviziunea în faze termodinamice este o clasificare mai mică a stărilor decât împărțirea în stări agregate ale unei substanțe, nu orice tranziție de fază este însoțită de o schimbare a stării agregate. Cu toate acestea, orice modificare a stării de agregare este o tranziție de fază.

Există două tipuri de tranziții de fază.

O tranziție de fază de ordinul întâi (de exemplu, topire, cristalizare etc.) este însoțită de absorbția sau eliberarea de căldură, numită tranziție de căldură de fază.

În timpul unei tranziții de fază de ordinul întâi, cei mai importanți, principalii parametri extensivi se modifică brusc: volumul specific, cantitatea de energie internă stocată, concentrația componentelor etc.

Cele mai comune exemple de tranziții de fază de ordinul întâi sunt: topirea și cristalizarea, evaporarea și condensarea, sublimarea și desublimarea.

Tranzițiile de fază de ordinul întâi sunt caracterizate prin temperatură constantă și modificări ale entropiei și volumului. O explicație pentru aceasta poate fi dată după cum urmează.

Prin schimbarea bruscă a proprietăților unei substanțe înțelegem un salt cu o schimbare de temperatură și presiune. În realitate, atunci când influențăm sistemul, nu modificăm aceste cantități, ci volumul și energia sa internă totală. Această schimbare are loc întotdeauna la o rată finită, ceea ce înseamnă că pentru a „acoperi” întregul decalaj de densitate sau energie internă specifică, avem nevoie de un timp finit. În acest timp, tranziția de fază nu are loc imediat pe întregul volum al substanței, ci treptat. În acest caz, în cazul unei tranziții de fază de ordinul întâi, o anumită cantitate de energie este eliberată (sau luată), care se numește căldură latentă de tranziție de fază. Pentru ca tranziția de fază să nu se oprească, este necesar să eliminați (sau să furnizați) în mod continuu această căldură sau să o compensați prin efectuarea lucrărilor la sistem.

De exemplu, la topire, o anumită cantitate de căldură trebuie să fie transmisă corpului pentru a provoca distrugerea rețelei cristaline. Căldura furnizată în timpul topirii nu duce la încălzirea corpului, ci la ruperea legăturilor interatomice, astfel că topirea are loc la o temperatură constantă. În timpul unor astfel de tranziții - de la o stare cristalină mai ordonată la o stare lichidă mai puțin ordonată - gradul de dezordine crește și, din punctul de vedere al celei de-a doua legi a termodinamicii, acest proces este asociat cu o creștere a entropiei sistemului. Dacă tranziția are loc în direcția opusă (cristalizare), atunci sistemul eliberează căldură.

Tranzițiile de fază care nu sunt asociate cu absorbția sau eliberarea de căldură și cu o modificare a volumului se numesc tranziții de fază de ordinul doi.

Aceste tranziții sunt caracterizate de constanța volumului și a entropiei. În același timp, densitatea și energia internă, de asemenea, nu se schimbă, astfel încât o astfel de tranziție de fază poate să nu fie vizibilă cu ochiul liber. Saltul este experimentat de derivatele lor în temperatură și presiune: capacitatea termică, coeficientul de dilatare termică, diverse susceptibilități etc.

O interpretare generală a tranzițiilor de fază de ordinul doi a fost propusă de omul de știință sovietic L. D. Landau (1908-1968). Conform acestei interpretări, tranzițiile de fază de al doilea fel sunt asociate cu o schimbare a simetriei: deasupra punctului de tranziție, sistemul, de regulă, are o simetrie mai mare decât sub punctul de tranziție.

Cele mai comune exemple de tranziții de fază de ordinul doi sunt: trecerea unui sistem printr-un punct critic, tranziția paramagnetic-feromagnetică sau paramagnetic-antiferomagnetică, trecerea metalelor și aliajelor la starea supraconductoare, trecerea heliului lichid în stare superfluid, trecerea materialelor amorfe la starea sticloasă.

Fizica modernă studiază și sistemele care au tranziții de fază de ordinul trei sau superior. Recent, conceptul de tranziție de fază cuantică a devenit larg răspândit, adică. o tranziție de fază controlată nu de fluctuațiile termice clasice, ci de cele cuantice care există chiar și la temperaturi zero absolut.

Împărțirea tranzițiilor de fază în două tipuri este oarecum arbitrară, deoarece există tranziții de fază de ordinul întâi cu salturi mici în parametrul de ordine și călduri de tranziție scăzute cu fluctuații foarte dezvoltate. Acest lucru este cel mai tipic pentru tranzițiile între fazele cristaline lichide.

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

postat pe http://www.allbest.ru/

Universitatea de Stat din Smolensk

Pe subiect: „Tranziții de fază”

Completat de: student anul I

Dolnikov Alexandru

1. Conceptul de tranziție de fază

2. Clasificarea tranzițiilor de fază

3. Tranziții de fază de ordinul întâi

4. Stări agregate ale substanțelor

4.1 Conceptul de substanță gazoasă

4.2 Conceptul de materie lichidă

4.3 Conceptul de materie solidă

4.4 Conceptul de plasmă

5. Tranziție de fază cuantică

6. Tranziții de fază de ordinul doi

7. Echilibru de fază

Bibliografie

1. Conceptul de tranziție de fază

Faza de tranzitie(transformarea de fază) în termodinamică este tranziția unei substanțe de la o fază termodinamică la alta atunci când condițiile externe se schimbă. Din punctul de vedere al mișcării unui sistem de-a lungul diagramei de fază atunci când parametrii săi intensi (temperatura, presiunea etc.) se modifică, o tranziție de fază are loc atunci când sistemul traversează linia de separare a două faze. Deoarece diferite faze termodinamice sunt descrise de diferite ecuații de stare, este întotdeauna posibil să se găsească o mărime care se modifică brusc în timpul unei tranziții de fază.

Deoarece împărțirea în faze termodinamice este o clasificare mai fină a stărilor decât împărțirea în stări agregate a unei substanțe, nu fiecare tranziție de fază este însoțită de o schimbare a stării agregate. Cu toate acestea, orice modificare a stării de agregare este o tranziție de fază.

Cel mai adesea, tranzițiile de fază sunt luate în considerare atunci când temperatura se schimbă, dar la o presiune constantă (de obicei egală cu 1 atmosferă). De aceea, sunt adesea folosiți termenii „punct” (și nu linie) de tranziție de fază, punct de topire etc.. Desigur, o tranziție de fază poate apărea cu o schimbare a presiunii și la temperatură și presiune constante, dar și cu o modificare a concentrației componentelor (de exemplu, apariția cristalelor de sare într-o soluție care a ajuns la saturație).

2. Clasificarea tranzițiilor de fază

Tranziții de fază în timpul cărora derivatele prime ale potențialelor termodinamice în raport cu parametrii intensivi ai sistemului (temperatura sau presiunea) se modifică brusc. Tranzițiile de primul fel sunt realizate atât în timpul tranziției unui sistem de la o stare de agregare la alta, cât și în cadrul unei stări de agregare (spre deosebire de tranzițiile de fază de ordinul doi, care apar într-o stare de agregare)

Cele mai comune exemple tranziții de fază de ordinul întâi:

topirea si cristalizarea

· evaporare și condensare

· sublimare și desublimare

Tranziții de fază în timpul cărora derivatele secunde ale potențialelor termodinamice în raport cu presiunea și temperatură se schimbă brusc, în timp ce derivatele lor prima se schimbă treptat. Rezultă, în special, că energia și volumul unei substanțe în timpul unei tranziții de fază de ordinul doi nu se modifică, ci se modifică capacitatea sa de căldură, compresibilitatea, diferite susceptibilități etc.. Tranzițiile de fază de ordinul doi apar în cazurile în care simetria al structurii substanței se modifică (simetria poate dispărea sau scădea complet). Descrierea unei tranziții de fază de ordinul doi ca o consecință a unei schimbări de simetrie este dată de teoria lui Landau. În prezent, se obișnuiește să se vorbească nu despre o schimbare a simetriei, ci despre aspectul în punctul de tranziție parametrul de comandă, egal cu zero într-o fază mai puțin ordonată și variind de la zero (în punctul de tranziție) la valori diferite de zero într-o fază mai ordonată.

Cele mai comune exemple de tranziții de fază de ordinul doi sunt:

· trecerea sistemului printr-un punct critic

· tranziție paramagnet-feromagnet sau paramagnet-antiferomagnet (parametru de comandă - magnetizare)

· trecerea metalelor și aliajelor la starea de supraconductivitate (parametru de comandă - densitatea condensatului supraconductor)

· trecerea heliului lichid în stare superfluid (p.p. - densitatea componentei superfluid)

· trecerea materialelor amorfe în stare sticloasă

Fizica modernă studiază și sistemele care au tranziții de fază de ordinul trei sau superior.

Recent, s-a răspândit conceptul de tranziție de fază cuantică, adică o tranziție de fază controlată nu de fluctuațiile termice clasice, ci de cele cuantice, care există chiar și la temperaturi zero absolut, unde tranziția de fază clasică nu poate fi realizată din cauza lui Nernst. teorema.

3. Tranziții de fază de ordinul întâi

· Plavlje m ție este procesul de trecere a unui corp de la o stare solidă cristalină la o stare lichidă, adică trecerea unei substanțe de la o stare de agregare la alta. Topirea are loc cu absorbția căldurii specifice și topirea și este o tranziție de fază de ordinul întâi, care este însoțită spasmodic o modificare a capacității termice la un anumit punct de temperatură de transformare pentru fiecare substanță - punctul de topire.

Capacitate de topire se referă la proprietățile fizice ale materiei

La presiune normală, cea mai mare temperatură topire printre metale are wolfram (3422 °C), printre substanțele simple - carbonul (după diverse surse 3500 - 4500 °C) și printre substanțele arbitrare - carbură de tantal-hafniu Ta 4 HfC 5 (4216 °C). Putem presupune că heliul are cel mai scăzut punct de topire: la presiune normală rămâne lichid la temperaturi arbitrar scăzute.

Multe substanțe la presiune normală nu au fază lichidă. Când sunt încălzite, se transformă imediat în stare gazoasă prin sublimare.

· Cristalizare -- procesul de tranziție de fază a unei substanțe de la o stare lichidă la o stare solidă cristalină cu formarea de cristale. O fază este o parte omogenă a unui sistem termodinamic separată de alte părți ale sistemului (alte faze) printr-o interfață, în timpul tranziției prin care compoziția chimică, structura și proprietățile substanței se modifică brusc.

Cristalizarea este procesul de izolare a fazei solide sub formă de cristale din soluții sau topituri; în industria chimică, procesul de cristalizare este utilizat pentru obținerea de substanțe în forma lor pură.

Cristalizarea începe atunci când se atinge o anumită condiție limitativă, de exemplu, suprarăcirea unui lichid sau saturația aburului, când multe cristale mici apar aproape instantaneu - centre de cristalizare. Cristalele cresc prin atașarea atomilor sau moleculelor dintr-un lichid sau vapori. Creșterea fețelor de cristal are loc strat cu strat; marginile straturilor atomice incomplete (trepte) se deplasează de-a lungul feței pe măsură ce cresc. Dependența ratei de creștere de condițiile de cristalizare duce la o varietate de forme de creștere și structuri cristaline (forme poliedrice, lamelare, în formă de ac, scheletice, dendritice și alte forme, structuri de creion etc.). În timpul cristalizării, apar inevitabil diferite defecte.

Numărul de centre de cristalizare și rata de creștere sunt semnificativ afectate de gradul de suprarăcire.

Gradul de suprarăcire este nivelul de răcire a metalului lichid sub temperatura de tranziție a acestuia la modificarea cristalină (solidă). S.p. necesare pentru a compensa energia căldurii latente de cristalizare. Cristalizarea primară este formarea de cristale în metale (aliaje și lichide) în timpul trecerii de la starea lichidă la starea solidă.

· Evaporare - procesul de tranziție de fază a unei substanțe de la starea lichidă la starea de vapori sau gazos, care are loc la suprafața substanței. Procesul de evaporare este inversul procesului de condensare (tranziția de la starea de vapori la starea lichidă). În timpul evaporării, particulele (molecule, atomi) zboară (se desprind) de pe suprafața unui lichid sau solid, iar energia lor cinetică trebuie să fie suficientă pentru a efectua munca necesară pentru a depăși forțele de atracție de la alte molecule ale lichidului.

· Condensare vapori (lat. condensa- se acumulează, se condensează, se îngroașă) - trecerea unei substanțe într-o stare lichidă sau solidă din starea gazoasă (reversul procesului din urmă se numește sublimare). Temperatura maximă sub care are loc condensul se numește critică. Aburul din care se poate produce condensarea poate fi saturat sau nesaturat.

· Sublimarea - trecerea unei substante din starea solida direct la starea gazoasa, ocolind starea lichida. Deoarece în timpul sublimării volumul specific al substanței se modifică și energia este absorbită ( căldură de sublimare), sublimarea este o tranziție de fază de ordinul întâi.

Procesul invers este desublimarea. Un exemplu de desublimare sunt fenomenele atmosferice precum gerul de pe suprafața pământului și gerul de pe crengile și firele copacilor.

· Desublimarea -- procesul fizic de trecere a unei substanțe de la starea gazoasă la starea solidă, ocolind starea lichidă. Un exemplu de desublimare este apariția modelelor de gheață pe geamurile de iarnă și fenomene atmosferice precum înghețul și înghețul.

În timpul desublimării, energia este eliberată. Desublimarea este o tranziție de fază exotermă.

Procesul invers este sublimarea (sublimarea).

4. Stări agregate ale substanțelor

4.1 Conceptul de substanță gazoasă

Evaporarea este formarea de vapori care are loc de la suprafața unui lichid. Molecule diferite ale unui lichid la aceeași temperatură se mișcă cu viteze diferite. Dacă o moleculă suficient de „rapidă” ajunge la suprafața lichidului, poate depăși atracția moleculelor învecinate și poate zbura din lichid. Moleculele emise de pe suprafața lichidului formează vapori. Concomitent cu evaporarea, moleculele sunt transferate din vapori în lichid. Fenomenul de transformare a vaporilor în lichid se numește condensare. Dacă nu există un aflux de energie către lichid din exterior, atunci lichidul care se evaporă se răcește. Condensarea aburului este însoțită de eliberarea de energie. Viteza de evaporare a unui lichid depinde de tipul de lichid și de temperatura acestuia, de suprafața acestuia și de mișcarea maselor de aer (vânt) pe suprafața lichidului. Fierberea este evaporarea din interiorul și de la suprafața unui lichid. Când un lichid este încălzit, în interiorul acestuia cresc treptat bule de aer (dizolvate în el). Forța arhimediană care acționează asupra bulelor crește, acestea plutesc în sus și explodează. Aceste bule conțin nu numai aer, ci și vapori de apă, deoarece lichidul se evaporă în interiorul acestor bule. Punctul de fierbere este temperatura la care fierbe un lichid. În timpul procesului de fierbere la t o = const, energie ar trebui să fie furnizată lichidului prin schimb de căldură, adică. adăugați căldură de vaporizare

Căldura de vaporizare este proporțională cu masa substanței transformată în abur. Valoarea este căldura specifică de vaporizare. Arată câtă căldură este necesară pentru a transforma 1 kg de lichid în abur la o temperatură constantă. Se măsoară în J/kg, kJ/kg. Cea mai mare parte a căldurii de vaporizare este cheltuită pentru ruperea legăturilor dintre particule, o parte din ea merge la munca efectuată în timpul expansiunii aburului. Pe măsură ce presiunea crește, punctul de fierbere al lichidului crește, iar căldura specifică de vaporizare scade.

Cu cât gazul este mai ușor, de ex. Cu cât greutatea atomică a unei substanțe este mai mică, cu atât aceasta este mai mare.

Moleculele lichide, care participă la mișcarea termică, se ciocnesc continuu unele cu altele. Acest lucru duce la faptul că unele dintre ele dobândesc energie cinetică suficientă pentru a depăși atracția moleculară. Astfel de molecule, aflându-se la suprafața lichidului, zboară din acesta, formând vapori (gaz) deasupra lichidului. Moleculele de vapori, mișcându-se haotic, lovesc suprafața lichidului. În acest caz, unele dintre ele se pot transforma în lichide. Aceste două procese de plecare a moleculelor lichide și întoarcerea lor în lichid au loc simultan. Dacă numărul de molecule care ies este mai mare decât numărul de molecule care se întorc, atunci masa lichidului scade, adică. lichidul se evaporă; dacă dimpotrivă, cantitatea de lichid crește, adică se observă condensarea aburului. Este posibil un caz când masele lichidului și vaporilor situate deasupra acestuia nu se modifică. Acest lucru este posibil atunci când numărul de molecule care părăsesc lichidul este egal cu numărul de molecule care se întorc la acesta. Această stare se numește echilibru dinamic, iar aburul care se află în echilibru dinamic cu lichidul său se numește saturat. Dacă nu există un echilibru dinamic între vapori și lichid, atunci se numește nesaturat. Este evident că aburul saturat la o anumită temperatură are o anumită densitate, numită echilibru.

Cantitatea de căldură care trebuie transmisă unei unități de masă de lichid pentru a-l transforma în vapori la o temperatură constantă se numește căldură specifică de vaporizare. Căldura specifică de vaporizare depinde de temperatura lichidului, scăzând pe măsură ce aceasta crește. În timpul condensării, cantitatea de căldură consumată la evaporarea lichidului este eliberată. Condensarea este procesul de trecere de la starea gazoasă la starea lichidă.

Distribuția neuniformă a energiei cinetice a mișcării termice duce la aceasta. Că la orice temperatură energia cinetică a unora dintre molecule poate depăși energia potențială de legare cu restul. Evaporarea este procesul prin care moleculele scapă de pe suprafața unui lichid sau solid. Evaporarea este însoțită de răcire, deoarece moleculele mai rapide părăsesc lichidul. Evaporarea unui lichid într-un vas închis la o temperatură constantă duce la o creștere a concentrației de molecule în stare gazoasă. După un timp, apare un echilibru între numărul de molecule care se evaporă și cele care se întorc în lichid.

O substanță gazoasă aflată în echilibru dinamic cu lichidul său se numește vapori saturati. Aburul la o presiune sub presiunea vaporilor saturați se numește nesaturat. Presiunea vaporilor saturați nu depinde de volum la temperatură constantă. La o concentrație constantă de molecule, presiunea vaporilor saturați crește mai repede decât presiunea unui gaz ideal, deoarece Sub influența temperaturii, numărul de molecule crește. Raportul dintre presiunea vaporilor de apă la o temperatură dată și presiunea vaporilor saturați la aceeași temperatură, exprimat ca procent, se numește umiditate relativă. Cu cât temperatura este mai mică, cu atât presiunea vaporilor saturați este mai scăzută, astfel încât atunci când este răcit la o anumită temperatură, aburul devine saturat. Această temperatură se numește punctul de rouă t p.

4.2 Conceptul de materie lichidă

Moleculele dintr-un lichid sunt situate suficient de aproape unele de altele încât atunci când se încearcă comprimarea lichidului, sunt generate forțe de respingere mari. De aici compresibilitatea scăzută a lichidelor. Moleculele duc o viață sedentară, în medie este de 10 -11 s. Lichidele sunt fluide, adică. nu-și păstrează forma

Lăsați lichidul să ocupe o parte din volumul unui vas închis. La orice temperatură, există un număr de molecule suficient de energice în interiorul lichidului care sunt capabile să rupă legăturile cu moleculele învecinate și să zboare din lichid. Cu cât temperatura este mai mare și în prezența vântului, cu atât are loc o evaporare mai rapidă. În același timp, în vaporii care ocupă volumul rămas în interiorul vasului, vor exista întotdeauna molecule care zboară înapoi în lichid și nu pot zbura înapoi. Astfel, două procese concurente au loc în mod constant în acest vas - evaporarea și condensarea inversă. Când numărul de molecule care părăsesc lichidul devine egal cu numărul de molecule care se întorc înapoi, atunci are loc un echilibru dinamic între faza lichidă și cea gazoasă și se spune că aburul a ajuns la saturație.

Pe măsură ce temperatura lichidului crește, viteza de evaporare crește și lichidul începe să fiarbă. La fierbere, se formează bule de vapori cu creștere rapidă în întregul volum al lichidului, care plutesc la suprafață. Punctul de fierbere al lichidului rămâne constant. Acest lucru se întâmplă deoarece toată energia furnizată lichidului este cheltuită transformându-l în vapori.

Lichidele conțin întotdeauna gaze dizolvate, care sunt eliberate pe fundul și pereții vasului, precum și pe particulele de praf suspendate în lichid. Vaporii de lichid care se află în interiorul bulelor sunt saturați. Pe măsură ce temperatura crește, presiunea vaporilor crește și bulele cresc în dimensiune. Sub influența forței de plutire, ele plutesc în sus. Dacă straturile superioare ale lichidului au o temperatură mai scăzută, atunci se produce condensarea vaporilor în bule în aceste straturi. Presiunea scade rapid și bulele se prăbușesc. Prăbușirea are loc atât de repede încât pereții bulei se ciocnesc și produc ceva ca o explozie. Multe astfel de micro-explozii creează un zgomot caracteristic. Când lichidul se încălzește suficient, bulele nu se vor mai prăbuși și vor pluti la suprafață. Lichidul va fierbe. Înainte de fierbere, fierbătorul aproape nu mai face zgomot.

Dependența presiunii vaporilor saturați de temperatură explică de ce punctul de fierbere al unui lichid depinde de presiunea de pe suprafața acestuia. O bula de vapori poate crește atunci când presiunea vaporilor saturați din interiorul acesteia depășește ușor presiunea din lichid, care este suma presiunii aerului de la suprafața lichidului (presiunea exterioară) și presiunea hidrostatică a coloanei de lichid. Fierberea începe la temperatura la care presiunea vaporilor saturați din bule este egală cu presiunea din lichid. Cu cât presiunea exterioară este mai mare, cu atât este mai mare punctul de fierbere, și invers, scăzând presiunea externă, punctul de fierbere scade.

Fiecare lichid are propriul punct de fierbere, care depinde de presiunea vaporilor saturați. Cu cât presiunea vaporilor saturați este mai mare, cu atât este mai scăzut punctul de fierbere al lichidului corespunzător, deoarece la temperaturi mai scăzute, presiunea vaporilor saturați devine egală cu presiunea atmosferică.

Temperatura critică este temperatura la care dispar diferențele de proprietăți fizice dintre un lichid și vaporii saturați. Conceptul de temperatură critică a fost introdus de D. I. Mendeleev. La temperatura critică, densitatea și presiunea vaporilor saturați devin maxime, iar densitatea lichidului în echilibru cu vaporii devine minimă. Semnificația specială a temperaturii critice este că la o temperatură peste temperatura critică, gazul nu poate fi transformat în lichid la nicio presiune. Un gaz cu o temperatură sub temperatura critică este aburul nesaturat.

4.3 Conceptul de materie solidă

Într-un solid, atomii sau moleculele pot vibra doar în jurul anumitor poziții de echilibru. Prin urmare, solidele păstrează atât forma, cât și volumul. În solidele cristaline, centrele atomilor (moleculele) formează o rețea spațială, la nodurile căreia se află atomi ai substanței. Solidele amorfe nu au o structură rigidă și seamănă mai degrabă cu lichidele înghețate.

Trecerea unei substanțe de la solid la lichid se numește topire. Procesul invers se numește întărire. Temperatura la care o substanță se topește (se solidifică) se numește temperatura de topire (solidificare) a substanței. Temperaturile de topire și solidificare pentru o anumită substanță în aceleași condiții sunt aceleași. La topire (întărire), temperatura substanței nu se modifică. Cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că în timpul procesului de topire nu este necesar să se furnizeze energie organismului. Experiența arată că dacă se oprește furnizarea de energie prin schimb de căldură, se oprește și procesul de topire. În timpul topirii, căldura furnizată corpului reduce legăturile dintre particulele substanței, adică. pentru a distruge rețeaua cristalină. În același timp, crește energia de interacțiune între particule. O mică parte din căldură în timpul topirii este cheltuită pentru a face lucru pentru a modifica volumul corpului, deoarece pentru majoritatea substanțelor volumul crește în timpul topirii. În timpul procesului de topire, o anumită cantitate de căldură este furnizată corpului, care se numește căldură de fuziune. Căldura de fuziune este proporțională cu masa substanței topite. Cantitatea (lambda) se numește căldură specifică de fuziune a unei substanțe. Căldura specifică de fuziune arată câtă căldură este necesară pentru a topi o unitate de masă a unei substanțe date la punctul ei de topire. Se măsoară în J/kg, kJ/kg.

4.4 Conceptul de plasmă

Termenul „plasmă” a fost propus pentru a fi folosit de fizicienii americani Langmuir și Tonks în 1923. Plasma este forma normală de existență a materiei la temperaturi de aproximativ 10.000 de grade și peste; este un gaz în care o parte semnificativă a atomilor sau moleculelor sunt ionizate. În mod surprinzător, plasma este cea mai comună stare a materiei din natură, reprezentând aproximativ 99% din masa Universului. Soarele și stelele, așa cum am menționat mai sus, nu sunt altceva decât aglomerări de plasmă la temperatură înaltă, stratul superior al învelișului atmosferic al Pământului, așa-numita ionosferă, este, de asemenea, format din plasmă, iar centurile de radiații care conțin plasmă sunt situate și mai sus. . Aurorele, fulgerele, inclusiv fulgerele globulare, sunt toate tipuri diferite de plasmă care pot fi observate în condiții naturale pe Pământ. Și doar o parte nesemnificativă a Universului este alcătuită din materie solidă - planete, asteroizi și nebuloase de praf. În plus, plasma are proprietăți foarte interesante, care sunt din ce în ce mai utilizate în dezvoltările dedicate marilor probleme ale tehnologiei moderne. Luați în considerare un vas închis dintr-un material foarte refractar care conține o cantitate mică de substanță. Crezând treptat temperatura acestuia, vom încălzi vasul împreună cu substanța conținută în el. Lăsați substanța conținută în vas să fie inițial în stare solidă. La un moment dat, această substanță va începe să se topească, iar la o temperatură și mai mare, se va evapora. Gazul rezultat va umple uniform întregul volum. Când temperatura atinge un nivel suficient de ridicat, toate moleculele de gaz, dacă este un gaz molecular, se disociază - se rup în atomi individuali. Ca urmare, în vas va rămâne un amestec gazos al elementelor care alcătuiesc substanța. Experimentând ciocniri unul cu altul din când în când, atomii acestei substanțe se vor mișca rapid și aleatoriu.

5. Tranziție de fază cuantică

Tranziție de fază cuantică(transformarea de fază cuantică) - trecerea unei substanțe de la o fază termodinamică cuantică la alta atunci când condițiile externe se modifică, survind însă în absența fluctuațiilor termice, adică când. Astfel, sistemul este reconstruit sub influența unor parametri non-termici (de exemplu, presiunea sau câmpul magnetic).

O tranziție de fază clasică este descrisă de o discontinuitate în funcțiile termodinamice ale unui sistem dat. Un astfel de decalaj indică faptul că particulele sistemului sunt rearanjate. Un exemplu tipic al acestui comportament este trecerea apei de la o stare lichidă la o stare solidă (gheață). Doi parametri concurenți sunt responsabili pentru procesele care au loc în timpul tranzițiilor clasice de fază: energia sistemului și entropia fluctuațiilor sale termice. Nu există entropie a unui sistem clasic la temperatură zero, așa că nu poate avea loc o tranziție de fază. agregat cuantic de tranziție de fază

Cu toate acestea, într-un sistem mecanic cuantic, apar fluctuații cuantice, care sunt responsabile pentru tranziția de fază. Astfel, fluctuațiile cuantice pot transfera sistemul într-o fază diferită. Aceste fluctuații cuantice sunt controlate de parametri non-termici, cum ar fi presiunea și concentrația.

Sistemul care trece printr-o tranziție de fază cuantică de ordinul întâi este heliul. La presiunea atmosferică nu se transformă în fază solidă nici la zero absolut. Cu toate acestea, la presiuni de peste 25 de atmosfere, heliul cristalizează într-o ambalare hexagonală.

Cel mai izbitor reprezentant al materialelor în care are loc o tranziție de fază cuantică de ordinul doi este feromagnetul elicoidal MnSi. Acest material la presiune normală are o temperatură critică de tranziție de la o stare paramagnetică la o stare feromagnetică slabă de 29 K. Cu toate acestea, atunci când se aplică o presiune hidrostatică externă de ordinul a 14,6 kbar, ca urmare are loc o tranziție de fază cuantică.

6. Tranziții de fază de ordinul doi

Schimbarea simetriei

Tranzițiile de fază de ordinul doi sunt însoțite de o schimbare a simetriei substanței. O modificare a simetriei poate fi asociată cu deplasarea atomilor de un anumit tip în rețeaua cristalină sau cu o schimbare a ordinii substanței.

În cele mai multe cazuri, faza cu simetrie mai mare (adică, inclusiv toate simetriile altei faze) corespunde temperaturilor mai ridicate, dar există și excepții. De exemplu, la trecerea prin punctul Curie inferior din sarea Rochelle, faza corespunzătoare temperaturii inferioare are simetrie ortorromică, în timp ce faza corespunzătoare temperaturii superioare are simetrie monoclinică.

Pentru a caracteriza cantitativ simetria în timpul unei tranziții de fază de ordinul doi, se introduce un parametru de ordine, care ia valori diferite de zero în faza cu simetrie mai mare și este identic egal cu zero în faza dezordonată.

Descrierea teoretică a tranzițiilor de fază de ordinul doi

teoria Landau

Teoria câmpului mediu este primul și cel mai simplu mod de a descrie teoretic fenomenele critice. Pentru a face acest lucru, Hamiltonianul de interacțiune multipartial este liniarizat, adică, de fapt, este înlocuit cu un singur Hamiltonian parțial cu un câmp auto-consistent efectiv. Astfel, trecem de la interacțiunea cu rază scurtă la interacțiunea pe rază lungă, adică la interacțiunea cu o rază formal infinită. De asemenea, neglijăm efectele de corelare.

Utilizarea teoriei câmpului mediu pentru a descrie tranzițiile de fază este de fapt echivalentă cu utilizarea teoriei Landau, adică extinderea funcționalei energiei libere în puteri ale parametrului de ordin în apropierea punctului critic.

Când se descriu tranzițiile de fază, câmpul efectiv este de obicei considerat proporțional cu parametrul de comandă. De regulă, factorul de proporționalitate este energia medie de interacțiune a particulelor sistemului. Astfel, la magneți, se ia în considerare efectul asupra unui spin individual de electroni al unui câmp magnetic local creat de spinii vecini.

Indicatori critici pentru un magnet în teoria lui Landau:

Pentru alte sisteme - un antiferomagnet, un aliaj binar și un sistem lichid-vapori, teoria câmpului mediu oferă aceiași indicatori critici.

Exponenții critici obținuți în teoria câmpului mediu sunt în acord slab cu valorile experimentale. Dar prezice universalitatea completă a indicatorilor, adică independența lor față de detaliile teoriei.

Principalul dezavantaj al teoriei este că nu este aplicabilă în cazurile în care fluctuațiile parametrului de ordine devin semnificative, adică direct în vecinătatea punctului de tranziție de fază: teoria lui Landau este valabilă atâta timp cât fluctuațiile unui volum cu dimensiuni liniare. de ordinul razei de corelare sunt mici comparativ cu valoarea de echilibru a parametrului de ordine. În caz contrar, abordarea termodinamică nu este aplicabilă. Pentru punctele de tranziție de fază în sine, teoria oferă citiri supraestimate, iar indicatorii critici pe care îi prezice diferă de valorile experimentale. În plus, exponenții critici, conform teoriei câmpului mediu, nu depind de dimensiunile spațiului și de parametrul de ordine. Pentru sistemele cu dimensiunile d=1, d=2, teoria câmpului mediu nu este deloc aplicabilă.

· Exemple de tranziții de fază de ordinul doi

· tranziție paramagnet-feromagnet sau paramagnet-antiferomagnet (parametru de comandă - magnetizare),

· trecerea metalelor și aliajelor la starea de supraconductivitate (parametru de comandă - densitatea condensatului supraconductor),

· trecerea heliului lichid în stare superfluid (pp. - densitatea componentei superfluid),

· trecerea materialelor amorfe în stare sticloasă.

7. Echilibru de fază

Echilibru de fazăîn termodinamică - o stare în care fazele dintr-un sistem termodinamic sunt într-o stare termic,mecanicȘi chimic echilibru.

Tipuri de echilibre de fază:

Echilibru termicînseamnă că toate fazele substanței din sistem au aceeași temperatură.

Echilibrul mecanicînseamnă egalitatea presiunilor pe părțile opuse ale interfeței dintre fazele de contact. Strict vorbind, în sistemele reale aceste presiuni sunt doar aproximativ egale; diferența de presiune este creată de tensiunea superficială.

Echilibru chimic se exprimă în egalitatea potențialelor chimice ale tuturor fazelor substanței.

Condiție de echilibru de fază

Să considerăm un sistem omogen din punct de vedere chimic (format din particule de același tip). Fie ca acest sistem să aibă o interfață între fazele 1 și 2. După cum sa menționat mai sus, echilibrul fazelor necesită egalitatea temperaturilor și presiunilor la interfață. Că starea de echilibru termodinamic într-un sistem cu temperatură și presiune constante corespunde punctului minim al potențialului Gibbs.

Potențialul Gibbs al unui astfel de sistem va fi egal cu

unde și sunt potențiale chimice și și sunt numărul de particule din prima și, respectiv, a doua fază.

În acest caz, suma (numărul total de particule din sistem) nu se poate modifica, așa că putem scrie

Să presupunem că, pentru certitudine, . Apoi, evident, minimul potențialului Gibbs este atins la (toată materia a trecut în prima fază).

Astfel, echilibrul de fază este posibil numai dacă potențialele chimice ale acestor faze de pe părțile opuse ale interfeței sunt egale:

Ecuația Claperon-Clausis

Din starea echilibrului de fază, putem obține dependența presiunii într-un sistem de echilibru de temperatură. Apropo de echilibru lichid -- abur, atunci prin presiune înțelegem presiunea vaporilor saturați, iar dependența se numește curba de evaporare.

Din condiţia de egalitate a potenţialelor chimice rezultă condiţia de egalitate a potenţialelor termodinamice specifice:, unde

Potențialul Gibbs al fazei i este masa sa.

care înseamnă

unde și sunt volumul specific și entropia fazelor. Rezultă că

și, în sfârșit

unde este căldura specifică de tranziție de fază (de exemplu, căldura specifică de fuziune sau căldura specifică de evaporare).

Ultima ecuație se numește Ecuația Clapeyron-Clausius.

regula fazei Gibbs

echilibru termodinamic, numărul de faze nu poate depăși numărul de componente crescut cu 2; stabilit de J. W. Gibbs în 1873-76.

Să considerăm acum un sistem care este, în general, eterogen din punct de vedere chimic (format din mai multe substanțe). Fie numărul de componente (substanțe) din sistem și fie numărul de faze. Condiția de echilibru de fază pentru un astfel de sistem poate fi scrisă ca un sistem de ecuații:

Iată potențialul chimic pentru componenta a i-a în faza a j-a. Este determinată în mod unic de presiunea, temperatura și concentrația fiecărei componente din fază. Concentrațiile componentelor nu sunt independente (suma lor este 1). Prin urmare, sistemul de ecuații luat în considerare conține necunoscute (concentrațiile componentelor în faze, plus temperatură și presiune).

Un sistem este rezolvabil, în general, dacă numărul de ecuații nu depășește numărul de necunoscute (un sistem care nu îndeplinește această condiție poate fi și el rezolvabil, dar acesta este un caz excepțional care poate fi ignorat în fizică). De aceea

adică numărul de faze dintr-un sistem de echilibru poate depăși numărul de componente cu cel mult două.

Ultima inegalitate se numește regula fazei Gibbs. În cazul particular al unui sistem monocomponent (sistem omogen chimic) se transformă în stare

Bibliografie

1. Artsimovici L.A. Fizica elementară a plasmei, M.: INFRA-M, 2001.-597p.

2. Zeldovich B.I., Myshkis A.D. Elemente de fizică matematică. - M.: Educație, 2001. - 352 p.

3. Kibets I.N., Kibets V.I. Fizică. Director. - Harkov: Folio; Rostov n/a: Phoenix, 2003.-587 p.

4. Ruzavin G.I. Concepte ale științelor naturale moderne. M.: INFRA-M, 2003.-722p.

5. Savelyev I.V. Curs de fizică generală. T. 1. Mecanica. Fizică moleculară: manual. manual pentru studenți. - M.: Nauka, 2002. - 432 p.

6. Frank-Kamenetsky D.A. Plasma este a patra stare a materiei, M, Prosveshcheniye, 2001.- 679 p.

7. Internet https://ru.wikipedia.org

Postat pe Allbest.ru

Documente similare

Realizarea ordinii prin eliminarea sistemului de energie termică. Stări agregate ale materiei: solid, lichid și gazos. Organizarea atomilor în cristale, proprietățile supraconductivității și magnetismului. Feromagneți în condiții de tranziție de fază.

rezumat, adăugat 26.09.2009

Abaterea gazelor de la idealitate. Formula Van der Waals. Cantități termodinamice ale plasmei clasice. Fenomene critice în timpul tranzițiilor de fază. Tranziții de fază și stări metastabile. Cinetica tranzițiilor de fază și problema creșterii cvasicristalelor.

rezumat, adăugat 02.07.2016

Coeficientul de dilatare termică, formule. Tranziții de fază de ordinul întâi și al doilea în termodinamică. Topire și cristalizare, evaporare și condensare, sublimare și desublimare. Graficul modificării volumului de apă în funcție de temperatură și timp.

munca de laborator, adaugat 22.09.2013

prezentare, adaugat 22.10.2013

Starea fizică a corpului, tipurile și caracteristicile sale. Procese de trecere de la o stare la alta. Topirea este trecerea unei substanțe de la o stare cristalină (solidă) la o stare lichidă. Căldura specifică de fuziune, punctul de topire și punctul de fierbere al apei.

rezumat, adăugat la 01.08.2011

Conceptul de tranziție de fază și solubilitate solidă. Tipuri de diagrame de fază. Sisteme, semnificația lor în microelectronică. Diagrame de fază în care siliciul apare ca una dintre componente. Diagrama în două faze și procesul de solidificare.

rezumat, adăugat 23.06.2010

Conceptul de materie și starea ei (solid, lichid, gazos, plasmă), influența schimbărilor de temperatură. Starea fizică a unui gaz, caracterizată prin următoarele mărimi: temperatură, presiune, volum. Formularea legilor gazelor: Boyle-Mariotte, Gay-Lussac.

prezentare, adaugat 04.09.2014

Conceptul și subiectul termodinamicii. Determinarea compoziției volumetrice și a masei molare medii a amestecului, precum și calcularea volumelor parțiale ale componentelor. Caracteristicile echilibrului de fază și tranzițiilor de fază. Introducere de bază în termodinamica chimică.

test, adaugat 29.03.2015

Conceptul și etapele principale ale cristalizării ca proces de tranziție de fază a unei substanțe de la o stare cristalină lichidă la o stare solidă cu formarea de cristale. Justificarea fizică a acestui proces în natură. Tipuri de cristale și principii ale creșterii lor.

prezentare, adaugat 18.04.2015

Fazele sunt numite părți diferite omogene ale sistemelor fizice și chimice. Tranziții de fază de ordinul întâi și al doilea. Gaze ideale și reale. Teoria moleculară - cinetică a fenomenelor critice. Caracteristicile superfluidității și supraconductivității elementelor.

În condiții normale, orice substanță există în una dintre cele trei stări - solidă, lichidă sau gazoasă ( cm. stări agregate ale materiei). Fiecare dintre aceste condiții corespunde propriei sale structuri de legături între molecule și/sau atomi, caracterizată printr-o anumită energie de legătură între ele. Pentru a schimba această structură, este necesar fie un aflux de energie termică din exterior (de exemplu, în timpul topirii unei substanțe solide), fie un flux de energie spre exterior (de exemplu, în timpul cristalizării).

Luând, pentru început, o substanță solidă, înțelegem în mod speculativ că moleculele/atomii din ea sunt legați într-un fel de structură cristalină rigidă sau amorfă - cu o încălzire ușoară, încep doar să se „agite” în jurul poziției lor fixe (cu cât temperatura este mai mare). , cu atât amplitudinea vibrațiilor este mai mare). Odată cu încălzirea suplimentară a substanței, moleculele se slăbesc din ce în ce mai mult până când, în cele din urmă, se desprind de „acasă” lor și merg „plutește liber”. Asta e topire sau topire solid în lichid. Se numește furnizarea de energie necesară topirii unei substanțe căldură de fuziune.

Graficul schimbării temperaturii unui solid pe măsură ce trece de punctul său de topire este în sine foarte interesant. Până la punctul de topire, pe măsură ce se încălzesc, atomii/moleculele se balansează din ce în ce mai mult în jurul poziției lor fixe, iar sosirea fiecărei porțiuni suplimentare de energie termică duce la creșterea temperaturii solidului. Cu toate acestea, odată ce un solid ajunge la punctul său de topire, el rămâne la această temperatură o perioadă de timp, în ciuda fluxului continuu de căldură, până când acumulează o cantitate suficientă de energie termică pentru a rupe legăturile intermoleculare rigide. Adică în proces faza de tranzitie o substanță din stare solidă în lichid este absorbită de ea fără a crește temperatura, deoarece toată ea este cheltuită pentru ruperea legăturilor intermoleculare. De aceea, un cub de gheață într-un cocktail, chiar și pe vremea cea mai caldă, rămâne înghețat la temperatură până când se topește totul. În același timp, atunci când se topește, cubul de gheață ia căldură din cocktailul care îl înconjoară (și, prin urmare, îl răcește la o temperatură plăcută) și câștigă el însuși energia de care are nevoie pentru a rupe legăturile intermoleculare și, în cele din urmă, a se autodistruge.

Cantitatea de căldură necesară pentru a topi sau evapora o unitate de volum a unui solid sau lichid se numește, respectiv, căldură latentă de fuziune sau căldură latentă de vaporizare. Iar cantitățile implicate aici sunt uneori considerabile. De exemplu, pentru a încălzi 1 kg de apă de la 0°C la 100°C necesită „doar” 420.000 jouli (J) de energie termică și pentru a transforma acest kilogram de apă în 1 kg de abur cu o temperatură egală cu aceeași 100 °C , - până la 2.260.000 J de energie.

După ce masa solidă s-a transformat complet într-un lichid, căldura suplimentară va duce din nou la o creștere a temperaturii substanței. În stare lichidă, moleculele unei substanțe sunt încă în contact strâns, dar legăturile intermoleculare rigide dintre ele sunt rupte, iar forțele de interacțiune care țin moleculele împreună sunt cu câteva ordine de mărime mai slabe decât într-un solid, astfel încât moleculele încep să se mișcă destul de liber unul față de celălalt. Furnizarea suplimentară de energie termică aduce lichidul în fază fierbere, și activ evaporare sau vaporizare.

Și, din nou, așa cum a fost descris în cazul topirii sau topirii, de ceva timp toată energia suplimentară furnizată este cheltuită pentru a rupe legăturile lichide dintre molecule și a le elibera în stare gazoasă (la un punct de fierbere constant). Energia cheltuită pentru ruperea acestor legături aparent slabe este așa-numita. căldură latentă de vaporizare - este de asemenea necesară o cantitate considerabilă (vezi exemplul de mai sus).

Toate aceleași procese în timpul ieșirii de energie (răcire) a unei substanțe au loc în ordine inversă. În primul rând, gazul se răcește pe măsură ce temperatura scade și aceasta continuă până când ajunge puncte de condensare- temperatura la care începe lichefiere, -și este exact egală cu temperatura de evaporare (fierbere) a lichidului corespunzător. În timpul condensării, pe măsură ce forțele de atracție reciprocă dintre molecule încep să aibă prioritate față de energia mișcării termice, gazul începe să se transforme într-un lichid - „condensează”. În acest caz, așa-numitul specific caldura de condensare - este exact egală cu căldura specifică latentă de evaporare, despre care a fost deja discutată. Adică, câtă energie ai cheltuit pentru a evapora o anumită masă de lichid, exact aceeași cantitate de energie pe care aburul o va degaja sub formă de căldură atunci când se condensează înapoi în lichid.

Faptul că cantitatea de căldură eliberată în timpul condensului este foarte mare este un fapt ușor de verificat: trebuie doar să ridici palma la gura unui ibric care fierbe. Pe lângă căldura de la abur în sine, pielea ta va suferi și de căldura eliberată ca urmare a condensării sale în apă lichidă.

Pe măsură ce lichidul se răcește în continuare puncte de îngheț(a cărui temperatură este egală cu punct de topire), procesul de eliberare a energiei termice în exterior va începe din nou fără a scădea temperatura substanței în sine. Acest proces se numește cristalizare, și eliberează exact aceeași cantitate de energie termică ca cea care este luată din mediu în timpul topirii (tranziția unei substanțe de la o fază solidă la una lichidă).

Există un alt tip de tranziție de fază - de la starea solidă a unei substanțe direct la starea gazoasă (ocolirea lichidului). Această transformare de fază se numește sublimare, sau sublimare. Cel mai obișnuit exemplu: rufele umede atârnate să se usuce la frig. Apa din ea se cristalizează mai întâi în gheață, iar apoi - sub influența luminii directe a soarelui - cristalele microscopice de gheață pur și simplu se evaporă, ocolind faza lichidă. Un alt exemplu: la concertele rock, „gheața uscată” (dioxid de carbon înghețat CO 2) este folosită pentru a crea o cortină de fum - se evaporă direct în aer, învăluind muzicienii care interpretează și, de asemenea, ocolind faza lichidă. În consecință, este nevoie energia sublimării.

Trecerea unei substanțe de la o stare la alta este un fenomen foarte des întâlnit în natură. Fierberea apei într-un ibric, înghețarea râurilor iarna, topirea metalului, lichefierea gazelor, demagnetizarea feritelor la încălzire etc. se referă în mod specific la astfel de fenomene numite tranziții de fază. Tranzițiile de fază sunt detectate printr-o schimbare bruscă a proprietăților și trăsăturilor (anomalii) caracteristicilor unei substanțe în momentul tranziției de fază: prin eliberarea sau absorbția căldurii latente; un salt de volum sau un salt de capacitate termică și coeficient de dilatare termică; modificarea rezistenței electrice; apariția proprietăților magnetice, feroelectrice, piezomagnetice, modificări ale modelului de difracție a razelor X etc. Care fază a unei substanțe este stabilă în anumite condiții este determinată de unul dintre potențialele termodinamice. La o anumită temperatură și volum într-un termostat, aceasta este energia liberă Helmholtz; la o anumită temperatură și presiune, acesta este potențialul Gibbs.

Permiteți-mi să vă reamintesc că potențialul Helmholtz F (energie liberă) este diferența dintre energia internă a unei substanțe E și entropia ei S, înmulțită cu temperatura absolută T:

Atât energia, cât și entropia din (1) sunt funcții ale condițiilor externe (presiunea p și temperatura T), iar faza care este realizată în anumite condiții externe are cel mai mic potențial Gibbs dintre toate fazele posibile. În cadrul termodinamicii, acesta este un principiu. Când condițiile externe se schimbă, se poate dovedi că energia liberă a unei alte faze a devenit mai mică. Modificările condițiilor externe apar întotdeauna în mod continuu și, prin urmare, pot fi descrise printr-o anumită dependență a volumului sistemului de temperatură. Având în vedere acest acord în valorile lui T și V, putem spune că o schimbare a stabilității fazei și tranziția unei substanțe de la o fază la alta are loc la o anumită temperatură de-a lungul căii termodinamice, iar valorile pentru ambele fazele sunt funcții ale temperaturii în apropierea acestui punct. Să luăm în considerare mai detaliat modul în care se produce schimbarea semnului De aproape dependență pentru unul și pentru o altă fază poate fi aproximată prin niște polinoame care depind de:

Diferența dintre energiile libere ale celor două faze ia formă

Atâta timp cât diferența este suficient de mică, ne putem limita doar la primul termen și să afirmăm că dacă , atunci faza I este stabilă la temperaturi scăzute, iar faza II este stabilă la temperaturi ridicate. În punctul de tranziție însuși, prima derivată a energiei libere în raport cu temperatura experimentează în mod natural un salt: la , și la . După cum știm, există, în esență, entropia materiei. În consecință, în timpul unei tranziții de fază, entropia experimentează un salt, determinând căldura latentă de tranziție, deoarece . Tranzițiile descrise se numesc tranziții de primul fel și sunt larg cunoscute și studiate în școală. Cu toții știm despre căldura latentă de vaporizare sau topire. Asta e .

În descrierea tranziției în cadrul considerațiilor termodinamice de mai sus, nu am luat în considerare doar o singură posibilitate, la prima vedere, puțin probabilă: se poate întâmpla ca nu numai energiile libere să fie egale, ci și derivatele lor în raport cu temperatura, acesta este, . Din (2) rezultă că o astfel de temperatură, cel puțin din punct de vedere al proprietăților de echilibru ale substanței, nu trebuie izolată. Într-adevăr, cu și la o primă aproximare față de avem

și, cel puțin în acest moment, nu ar trebui să aibă loc nicio tranziție de fază: potențialul Gibbs, care era mai mic la , va fi, de asemenea, mai mic la .

În natură, desigur, nu totul este atât de simplu. Uneori există motive profunde pentru cele două egalități și pentru a ține simultan. Mai mult, faza I devine absolut instabilă în raport cu fluctuațiile arbitrar mici ale gradelor interne de libertate la , și faza II la . În acest caz, apar acele tranziții care, conform binecunoscutei clasificări Ehrenfest, se numesc tranziții de al doilea fel. Acest nume se datorează faptului că în timpul tranzițiilor de ordinul doi există un salt numai în derivata a doua a potențialului Gibbs în raport cu temperatură. După cum știm, a doua derivată a energiei libere în raport cu temperatura determină capacitatea termică a unei substanțe

Astfel, în timpul tranzițiilor de ordinul doi, trebuie observat un salt în capacitatea de căldură a substanței, dar nu ar trebui să existe căldură latentă. Deoarece faza II este absolut instabilă în ceea ce privește fluctuațiile mici și același lucru se aplică fazei I la , atunci în timpul tranzițiilor de ordinul doi nu trebuie observate nici supraîncălzirea, nici suprarăcirea, adică nu există histerezis de temperatură a punctului de tranziție de fază. Există și alte semne remarcabile care caracterizează aceste tranziții.

Care sunt motivele care stau la baza condițiilor necesare termodinamic pentru o tranziție de ordinul doi? Cert este că atât când, cât și când există aceeași substanță. Interacțiunile dintre elementele care o alcătuiesc nu se modifică brusc; aceasta este natura fizică a faptului că potențialele termodinamice pentru ambele faze nu pot fi complet independente. Cum apare legătura dintre și , și , etc. poate fi urmărită folosind modele simple de tranziții de fază, calculând potențiale termodinamice în diferite condiții externe folosind metodele mecanicii statistice. Cel mai simplu mod de a calcula energia liberă.

WIKIPEDIA

Faza de tranzitie(transformare de fază) în termodinamică - trecerea unei substanțe de la o fază termodinamică la alta atunci când condițiile externe se schimbă. Din punctul de vedere al mișcării unui sistem de-a lungul diagramei de fază atunci când parametrii săi intensi (temperatura, presiunea etc.) se modifică, o tranziție de fază are loc atunci când sistemul traversează linia de separare a două faze. Deoarece diferite faze termodinamice sunt descrise de diferite ecuații de stare, este întotdeauna posibil să se găsească o mărime care se modifică brusc în timpul unei tranziții de fază.

La tranziție de fază de ordinul întâi cei mai importanți, parametrii extensivi primari se modifică brusc: volumul specific, cantitatea de energie internă stocată, concentrația componentelor etc. Subliniem: ne referim la o modificare bruscă a acestor cantități cu modificări de temperatură, presiune etc., și nu o bruscă schimbare în timp (pentru acesta din urmă, consultați secțiunea de mai jos Dinamica tranzițiilor de fază).

Cele mai comune exemple tranziții de fază de ordinul întâi:

topirea si cristalizarea

· evaporare și condensare

· sublimare și desublimare

La tranziție de fază de ordinul doi densitatea și energia internă nu se schimbă, așa că o astfel de tranziție de fază poate să nu fie vizibilă cu ochiul liber. Saltul este experimentat de derivatele lor în temperatură și presiune: capacitatea termică, coeficientul de dilatare termică, diverse susceptibilități etc.

Tranzițiile de fază de ordinul doi apar în cazurile în care simetria structurii unei substanțe se modifică (simetria poate să dispară sau să scadă complet). Descrierea unei tranziții de fază de ordinul doi ca o consecință a unei schimbări de simetrie este dată de teoria lui Landau. În prezent, se obișnuiește să se vorbească nu despre o schimbare a simetriei, ci despre aspectul în punctul de tranziție parametrul de comandă, egal cu zero într-o fază mai puțin ordonată și variind de la zero (în punctul de tranziție) la valori diferite de zero într-o fază mai ordonată.

Cele mai comune exemple de tranziții de fază de ordinul doi sunt:

· trecerea sistemului printr-un punct critic

· tranziție paramagnet-feromagnet sau paramagnet-antiferomagnet (parametru de comandă - magnetizare)

· trecerea metalelor și aliajelor la starea de supraconductivitate (parametru de comandă - densitatea condensatului supraconductor)

· tranziția heliului lichid într-o stare superfluid (pp - densitatea componentei superfluid)

· trecerea materialelor amorfe în stare sticloasă

Fizica modernă studiază și sistemele care au tranziții de fază de ordinul trei sau superior.

Recent, conceptul de tranziție de fază cuantică a devenit larg răspândit, adică. o tranziție de fază controlată nu de fluctuațiile termice clasice, ci de cele cuantice, care există chiar și la temperaturi zero absolut, unde tranziția de fază clasică nu poate fi realizată datorită teoremei lui Nernst.