Temos Vieningo valstybinio egzamino kodifikatorius : agreguotų medžiagų būsenų kitimas, lydymasis ir kristalizacija, garavimas ir kondensacija, skysčio virimas, energijos pokytis fazių virsmuose.

Ledas, vanduo ir vandens garai - trijų pavyzdžių agregacijos būsenos medžiagos: kietos, skystos ir dujinės. Kokia tiksli tam tikros medžiagos agregacijos būsena priklauso nuo jos temperatūros ir kt išorinės sąlygos, kuriame jis yra.

Pasikeitus išorinėms sąlygoms (pavyzdžiui, jei kūno vidinė energija didėja arba mažėja dėl šildymo ar vėsinimo), gali įvykti faziniai perėjimai – organizmo substancijos agreguotų būsenų pokyčiai. Mus domina šie dalykai fazių perėjimai.

Tirpimas(kieta-skysta) ir kristalizacija(skystas-kietas).
Garinimas(skysti garai) ir kondensacija(skystis garais).

Lydymasis ir kristalizacija

Dauguma kietųjų medžiagų yra kristalinis, t.y. turėti kristalinė gardelė- griežtai apibrėžtas, periodiškai pasikartojantis jo dalelių išsidėstymas erdvėje.

Kristalinės kietosios medžiagos dalelės (atomai arba molekulės) patiria šiluminius virpesius netoli fiksuotų pusiausvyros padėčių - mazgai kristalinė gardelė.

Pavyzdžiui, kristalinės gardelės mazgai Valgomoji druska- tai yra „trimačio“ kubinių ląstelių viršūnės languotas popierius“ (žr. 1 pav., kuriame rutuliai didesnio dydžio pavaizduoti chloro atomus (vaizdas iš en.wikipedia.org.)); Jei leisite vandeniui iš druskos tirpalo išgaruoti, likusi druska bus mažų kubelių krūva.

Ryžiai. 1. Kristalinė gardelė

Tirpimas vadinamas kristalinės kietosios medžiagos pavertimu skysčiu. Išlydyti galima bet kokį kūną – tam reikia jį pašildyti lydymosi temperatūra, kuris priklauso tik nuo kūno medžiagos, bet ne nuo jo formos ar dydžio. Tam tikros medžiagos lydymosi temperatūra gali būti nustatyta iš lentelių.

Priešingai, jei atvėsinsite skystį, anksčiau ar vėliau jis virs kietu pavidalu. Skysčio pavertimas kristaline kieta medžiaga vadinamas kristalizacija arba grūdinimas. Taigi lydymasis ir kristalizacija yra tarpusavyje atvirkštiniai procesai.

Temperatūra, kurioje skystis kristalizuojasi, vadinama kristalizacijos temperatūra. Pasirodo, kristalizacijos temperatūra lygi lydymosi temperatūrai: tam tikroje temperatūroje gali vykti abu procesai. Taigi, ledui tirpstant, vanduo kristalizuojasi; Kas tiksliaiįvyksta kiekvienu konkrečiu atveju – priklauso nuo išorinių sąlygų (pavyzdžiui, ar į medžiagą tiekiama šiluma, ar iš jos pašalinama).

Kaip vyksta lydymasis ir kristalizacija? Koks jų mechanizmas? Kad suprastume šių procesų esmę, panagrinėkime kūno temperatūros priklausomybės nuo laiko jo šildymo ir aušinimo metu grafikus – vadinamuosius lydymosi ir kristalizacijos grafikus.

Lydymosi grafikas

Pradėkime nuo lydymosi grafiko (2 pav.). Įleisti pradžios momentas laikas (grafiko taškas), kūnas yra kristalinis ir turi tam tikrą temperatūrą.

Ryžiai. 2. Lydymosi grafikas

Tada kūnui pradedama tiekti šiluma (tarkim, kūnas dedamas į lydymosi krosnį), o kūno temperatūra pakyla iki reikšmės – duotosios medžiagos lydymosi temperatūros. Tai yra grafiko dalis.

Toje vietoje kūnas gauna šilumos kiekį

kur yra kietosios medžiagos savitoji šiluminė talpa ir kūno masė.

Pasiekus lydymosi temperatūrą (taške ), situacija kokybiškai pasikeičia. Nepaisant to, kad šiluma ir toliau tiekiama, kūno temperatūra nesikeičia. Vyksta svetainėje tirpstantis kūnas – jo laipsniškas perėjimas iš kieto į skystą. Sklypo viduje turime mišinį kietas ir skystas, ir kuo arčiau taško, tuo mažiau lieka kietų medžiagų ir atsiranda daugiau skysčio. Galiausiai tam tikru momentu iš pirminio kieto kūno nebeliko nieko: jis visiškai virto skysčiu.

Plotas atitinka tolesnį skysčio šildymą (arba, kaip sakoma, ištirpti). Šioje srityje skystis sugeria tam tikrą šilumos kiekį

kur yra skysčio savitoji šiluminė talpa.

Bet dabar mus labiausiai domina fazinio perėjimo sritis. Kodėl šioje srityje nesikeičia mišinio temperatūra? Ateina karštis!

Grįžkime prie šildymo proceso pradžios. Kieto kūno temperatūros padidėjimas tam tikroje srityje yra jo dalelių virpesių intensyvumo padidėjimas kristalinės gardelės mazguose: tiekiama šiluma didėja. kinetinės kūno dalelių energija (tiesą sakant, dalis tiekiamos šilumos išleidžiama atliekant darbus, kad padidėtų vidutiniai atstumai tarp dalelių – kaip žinome, kūnai kaitinant plečiasi. Tačiau ši dalis yra tokia maža, kad gali būti ignoruojamas.).

Kristalinė gardelė tampa vis laisvesnė, o lydymosi temperatūroje virpesių diapazonas pasiekia ribinę vertę, kuriai esant traukos jėgos tarp dalelių vis dar gali užtikrinti jų tvarkingą išsidėstymą viena kitos atžvilgiu. Kietas korpusas pradeda „trūkinėti prie siūlių“, o tolesnis kaitinimas sunaikina kristalinę gardelę - taip šioje srityje prasideda tirpimas.

Nuo šio momento visa tiekiama šiluma panaudojama jungčių, laikančių daleles kristalinės gardelės mazguose, nutraukimo darbams, t.y. padidinti potencialus dalelių energija. Dalelių kinetinė energija išlieka ta pati, todėl kūno temperatūra nekinta. Taške kristalų struktūra visiškai išnyksta, nebelieka ką naikinti, o tiekiama šiluma vėl eina dalelių kinetinės energijos didinimui – lydalo šildymui.

Savitoji lydymosi šiluma

Taigi, norint paversti kietą medžiagą skysčiu, neužtenka ją atnešti iki lydymosi temperatūros. Būtina papildomai (jau esant lydymosi temperatūrai) aprūpinti kūną tam tikru šilumos kiekiu, kad kristalinė gardelė visiškai sunaikintų (t.y. praeitų per sekciją).

Šis šilumos kiekis padidina potencialią dalelių sąveikos energiją. Vadinasi, lydalo vidinė energija tam tikrame taške yra didesnė už kietosios medžiagos vidinę energiją taške.

Patirtis rodo, kad vertė yra tiesiogiai proporcinga kūno svoriui:

Proporcingumo koeficientas nepriklauso nuo kūno formos ir dydžio ir yra medžiagos savybė. Tai vadinama specifinė medžiagos lydymosi šiluma. Tam tikros medžiagos specifinę lydymosi šilumą galima rasti lentelėse.

Savitoji lydymosi šiluma skaitine prasme yra lygi šilumos kiekiui, kurio reikia vienam kilogramui tam tikros kristalinės medžiagos, atneštos iki lydymosi temperatūros, paversti skysčiu.

Taigi, specifinė šiluma ledo tirpimas lygus kJ/kg, švino - kJ/kg. Matome, kad ledo kristalų gardelę sunaikinti reikia beveik dvigubai daugiau energijos! Ledas yra medžiaga, turinti didelę specifinę lydymosi šilumą, todėl pavasarį netirpsta iš karto (gamta ėmėsi savo priemonių: jei ledo savitoji lydymosi šiluma būtų tokia pati kaip švino, visa ledo ir sniego masė ištirptų kartu su ledu. pirmasis atšilimas, užtvindęs viską aplinkui).

Kristalizacijos grafikas

Dabar pereikime prie svarstymo kristalizacija- lydymosi procesas atvirkštinis. Pradedame nuo ankstesnio piešinio taško. Tarkime, kad toje vietoje lydalo kaitinimas sustojo (viryklė buvo išjungta ir lydalas buvo veikiamas oro). Tolesni lydymosi temperatūros pokyčiai parodyti fig. (3) .

Ryžiai. 3. Kristalizacijos grafikas

Skystis aušina (sekcija), kol jo temperatūra pasiekia kristalizacijos temperatūrą, kuri sutampa su lydymosi temperatūra.

Nuo šio momento lydalo temperatūra nustoja keistis, nors šiluma iš jo vis tiek pasišalina į aplinką. Vyksta svetainėje kristalizacija išlydyti - jo laipsniškas perėjimas į kietą būseną. Srityje vėl turime kietų ir skystų fazių mišinį, ir kuo arčiau taško, tuo kietesnis tampa ir tuo mažiau skysčio.

Kitas skyrius atitinka tolesnį kieto kūno aušinimą dėl kristalizacijos.

Mus vėl domina fazių perėjimo skyrius: kodėl temperatūra išlieka nepakitusi, nepaisant šilumos praradimo?

Vėl grįžkime prie esmės. Sustabdžius šilumos tiekimą, lydalo temperatūra mažėja, nes jo dalelės palaipsniui praranda kinetinę energiją dėl susidūrimų su aplinkos molekulėmis ir elektromagnetinių bangų spinduliavimo.

Lydalo temperatūrai nukritus iki kristalizacijos temperatūros (taško), jo dalelės taip sulėtės, kad traukos jėgos galės jas tinkamai „išskleisti“ ir suteikti joms griežtai apibrėžtą abipusę orientaciją erdvėje. Taip bus sudarytos sąlygos atsirasti krištolinei gardelei, kuri iš tikrųjų pradės formuotis dėl tolesnio energijos išsiskyrimo iš lydalo į aplinkinę erdvę.

Tuo pat metu prasidės priešingas energijos išsiskyrimo procesas: kai dalelės užims savo vietas kristalinės gardelės mazguose, jos potencinė energija smarkiai sumažėja, dėl to didėja jų kinetinė energija - kristalizuojantis skystis yra šilumos šaltinis (dažnai galima pamatyti paukščius sėdinčius prie ledo duobės. Jie ten šildosi!). Kristalizacijos metu išsiskirianti šiluma tiksliai kompensuoja šilumos nuostolius į aplinką, todėl temperatūra toje vietoje nekinta.

Tuo metu lydalas išnyksta, o kartu su kristalizacija išnyksta ir šis vidinis šilumos „generatorius“. Dėl nuolatinio energijos išsklaidymo išorinė aplinka temperatūra vėl mažės, bet susidaręs kietas kūnas (sekcija ) tik atvės.

Kaip rodo patirtis, kristalizacijos metu šioje srityje, visiškai toks patšilumos kiekis, kuris buvo sugertas tirpstant toje vietoje.

Garavimas ir kondensacija

Garinimas yra skysčio perėjimas į dujinę būseną (in garai). Yra du garinimo būdai: garinimas ir virinimas.

Garavimas vadinamas garavimu, kuris vyksta bet kokioje temperatūroje su laisvas paviršius skysčių. Kaip prisimenate iš lapo „Sotieji garai“, išgaravimo priežastis yra greičiausių molekulių, galinčių įveikti tarpmolekulinės traukos jėgas, pasitraukimas iš skysčio. Šios molekulės sudaro garus virš skysčio paviršiaus.

Išgaruoja įvairūs skysčiai skirtingu greičiu: kaip daugiau galios molekulių pritraukimas viena prie kitos – mažesnis skaičius molekulės per laiko vienetą galės jas įveikti ir išskristi, ir tuo mažesnis garavimo greitis. Eteris, acetonas ir alkoholis greitai išgaruoja (jie kartais vadinami lakiaisiais skysčiais), vanduo išgaruoja lėčiau, o nafta ir gyvsidabris – daug lėčiau nei vanduo.

Garavimo greitis didėja kylant temperatūrai (karštu oru skalbiniai greičiau išdžius), nes didėja vidutinė skysčių molekulių kinetinė energija, taigi daugėja greitų molekulių, galinčių išeiti iš jos ribų.

Garavimo greitis priklauso nuo skysčio paviršiaus ploto: nei didesnį plotą, kuo daugiau molekulių patenka į paviršių, greičiau vyksta garavimas (todėl kabinant skalbinius jie kruopščiai ištiesinami).

Kartu su garavimu stebimas ir atvirkštinis procesas: garų molekulės, atlikdamos atsitiktinius judesius virš skysčio paviršiaus, iš dalies grįžta atgal į skystį. Garų pavertimas skysčiu vadinamas kondensacija.

Kondensatas sulėtina skysčio išgaravimą. Taigi, sausame ore skalbiniai išdžius greičiau nei drėgname. Jis greičiau išdžius vėjyje: garus nuneša vėjas, o garavimas vyksta intensyviau

Kai kuriais atvejais kondensacijos greitis gali būti mažesnis vienodas greitis garavimas. Tada abu procesai vienas kitą kompensuoja ir susidaro dinaminė pusiausvyra: iš sandariai uždaryto butelio skystis neišgaruoja metų metus, o tokiu atveju atsiranda sočiųjų garų.

Nuolat stebime vandens garų kondensaciją atmosferoje debesų, lietaus ir ryte iškrintančios rasos pavidalu; Būtent garavimas ir kondensacija užtikrina vandens ciklą gamtoje, palaikydami gyvybę Žemėje.

Kadangi išgarinimas yra greičiausių molekulių pasitraukimas iš skysčio, tai garinimo proceso metu skysčio molekulių vidutinė kinetinė energija mažėja, t.y. skystis atvėsta. Jums puikiai pažįstamas vėsos, o kartais net vėsumo jausmas (ypač pučiant vėjui) išlipus iš vandens: vanduo, garuodamas per visą kūno paviršių, neša šilumą, o vėjas pagreitina garavimo procesą ( Dabar aišku, kodėl pučiame karštą arbatą, beje, dar geriau įsiurbti orą į save, nes tada į arbatos paviršių patenka sausas aplinkos oras, o ne drėgnas oras iš mūsų plaučių ;-)).

Tokią pat vėsą galima pajusti ir per ranką perbraukus lakiame tirpiklyje (tarkime, acetonu ar nagų lako valikliu) suvilgytą vatos gabalėlį. Keturiasdešimties laipsnių karštyje dėl padidėjusio drėgmės išgaravimo per mūsų kūno poras palaikome normalią temperatūrą; Be šio termoreguliacinio mechanizmo tokiame karštyje mes tiesiog numirtume.

Priešingai, kondensacijos proceso metu skystis įkaista: kai garų molekulės grįžta į skystį, jas pagreitina traukos jėgos iš šalia esančių skysčio molekulių, dėl to padidėja vidutinė skysčio molekulių kinetinė energija ( palyginkite šį reiškinį su energijos išsiskyrimu kristalizacijos metu!).

Virimas

Virimas- tai vyksta garinimas per visą tomą skysčių.

Virinti galima, nes skystyje visada ištirpsta tam tikras oro kiekis, kuris ten patenka dėl difuzijos. Kai skystis kaitinamas, šis oras plečiasi, oro burbuliukai palaipsniui didėja ir tampa matomi plika akimi(vandens puode jie nusėda ant dugno ir sienelių). Oro burbuliukų viduje yra sočiųjų garų, kurių slėgis, kaip prisimenate, sparčiai didėja kylant temperatūrai.

Kuo didesni burbuliukai tampa, tuo didesnė Archimedo jėga juos veikia ir tam tikru momentu burbuliukai pradeda atsiskirti ir plaukti aukštyn. Kylant aukštyn burbuliukai patenka į mažiau įkaitintus skysčio sluoksnius; jose esantys garai kondensuojasi, o burbuliukai vėl susitraukia. Burbuliukų griūtis sukelia pažįstamą triukšmą, kuris skamba prieš virdulio virimą. Galiausiai, laikui bėgant, visas skystis įšyla tolygiai, burbuliukai pasiekia paviršių ir sprogsta, išmesdami orą ir garus – triukšmą pakeičia gurgžėjimas, skystis užverda.

Taigi burbuliukai tarnauja kaip garų „laidininkai“ iš skysčio vidaus į jo paviršių. Verdant, kartu su normaliu garavimu, skystis per visą tūrį virsta garais – išgaruoja į oro burbuliukus, po to garai išleidžiami lauke. Štai kodėl verdantis skystis labai greitai išgaruoja: virdulys, iš kurio vanduo garuotų daugybę dienų, užvirs per pusvalandį.

Skirtingai nuo garavimo, kuris vyksta bet kurioje temperatūroje, skystis pradeda virti tik pasiekęs virimo taškas- tiksliai temperatūra, kurioje oro burbuliukai gali plūduriuoti ir pasiekti paviršių. Virimo temperatūros slėgyje sočiųjų garų tampa lygus išoriniam skysčio slėgiui(ypač Atmosferos slėgis). Atitinkamai, kuo didesnis išorinis slėgis, tuo aukštesnė temperatūra, kurioje prasidės virimas.

Normaliomis sąlygomis Atmosferos slėgis(atm arba Pa) vandens virimo temperatūra yra . Štai kodėl sočiųjų vandens garų slėgis temperatūroje yra Pa. Šis faktas turi būti žinomas norint išspręsti problemas – dažnai jis laikomas žinomu pagal nutylėjimą.

Elbruso viršūnėje atmosferos slėgis lygus atm, o vanduo ten užvirs . Ir esant slėgiui atm, vanduo pradės virti tik esant .

Virimo temperatūra (esant normaliam atmosferos slėgiui) yra griežtai apibrėžta konkretaus skysčio vertė (virimo taškai, nurodyti vadovėlių ir žinynų lentelėse, yra chemiškai grynų skysčių virimo temperatūra. Priemaišų buvimas skystyje gali pakeisti virimo temperatūrą taškas Pavyzdžiui, vandentiekio vandenyje yra ištirpusio chloro ir kai kurių druskų, todėl jo virimo temperatūra esant normaliam atmosferos slėgiui gali šiek tiek skirtis nuo ). Taigi, alkoholis verda ties , eteris - ties , gyvsidabris - ties . Atkreipkite dėmesį: kuo skystis lakesnis, tuo žemesnė jo virimo temperatūra. Virimo taškų lentelėje taip pat matome, kad deguonis užverda esant. Tai reiškia, kad normalioje temperatūroje deguonis yra dujos!

Žinome, kad nuėmus virdulį nuo ugnies, virimas tuoj pat nutrūks – virimo procesui reikalingas nuolatinis šilumos tiekimas. Tuo pačiu metu vandens temperatūra virdulyje nustoja keistis po užvirimo ir visą laiką išlieka tokia pati. Kur dingsta tiekiama šiluma?

Situacija panaši į lydymosi procesą: šiluma naudojama potencialiai molekulių energijai padidinti. IN tokiu atveju- atlikti molekulių pašalinimo darbus tokiais atstumais, kad traukos jėgos negalėtų išlaikyti molekulių arti viena kitos, o skystis pavirstų į dujinę būseną.

Virimo grafikas

Panagrinėkime grafinį skysčio kaitinimo proceso vaizdą - vadinamąjį virimo diagrama(4 pav.).

Ryžiai. 4. Virimo grafikas

Skyrius yra prieš virimo pradžią. Teritorijoje skystis užverda, jo masė mažėja. Šiuo metu skystis visiškai užvirsta.

Norėdami praeiti atkarpą, t.y. Kad iki virimo temperatūros pakeltas skystis visiškai virstų garais, į jį turi būti tiekiamas tam tikras šilumos kiekis. Patirtis rodo, kad šis šilumos kiekis yra tiesiogiai proporcingas skysčio masei:

Proporcingumo koeficientas vadinamas specifinė garavimo šiluma skysčiai (virimo temperatūroje). Savitoji garavimo šiluma skaitine prasme yra lygi šilumos kiekiui, kuris turi būti tiekiamas 1 kg skysčio, paimto iki virimo temperatūros, kad jis būtų visiškai paverstas garais.

Taigi, esant specifinei vandens garavimo šilumai, lygi kJ/kg. Įdomu tai palyginti su ledo lydymosi savitoji šiluma (kJ/kg) – savitoji garavimo šiluma yra beveik septynis kartus didesnė! Tai nenuostabu: juk norint ištirpdyti ledą, tereikia sunaikinti tvarkingą vandens molekulių išsidėstymą kristalinės gardelės mazguose; tuo pačiu metu atstumai tarp molekulių išlieka maždaug tokie patys. Tačiau norint vandenį paversti garais, reikia ką nors padaryti puikus darbas nutraukiant visus ryšius tarp molekulių ir pašalinant molekules dideliais atstumais viena nuo kitos.

Kondensacijos grafikas

Garų kondensacijos ir vėlesnio skysčio aušinimo procesas diagramoje rodomas simetriškai šildymo ir virimo procesui. Čia yra aktualus kondensacijos grafikasšimto laipsnių vandens garų atveju, su kuriuo dažniausiai susiduriama problemose (5 pav.).

Ryžiai. 5. Kondensacijos grafikas

Taške turime vandens garų ties . Teritorijoje yra kondensatas; šios srities viduje yra garų ir vandens mišinys. Taške nebėra garų, yra tik vanduo. Ši sritis yra šio vandens aušinimas.

Patirtis rodo, kad kai masės garai kondensuojasi (t. y. eidami per sekciją), išsiskiria lygiai tiek pat šilumos, kiek buvo sunaudota skystą masę paverčiant garais tam tikroje temperatūroje.

Linksmai palyginkime šiuos šilumos kiekius:

Kuris išsiskiria kondensuojantis vandens garams;
, kuris išsiskiria, kai susidaręs 100 laipsnių vanduo atvėsta iki, tarkime, .

J;
J.

Šie skaičiai aiškiai rodo, kad nudegimas garais yra daug blogesnis nei verdančio vandens nudegimas. Verdančiam vandeniui patekus ant odos, išsiskiria „tik“ (verdantis vanduo atvėsta). Tačiau nudegimo atveju garai pirmiausia bus išleisti tam tikru mastu didelis kiekisšilumos (kondensuojasi garai), susidaro šimto laipsnių vanduo, po kurio šiam vandeniui atvėsus bus pridėta tokia pati vertė.

Fazė yra sistemos dalių, kurios yra identiškos visomis fizinėmis, cheminėmis savybėmis ir struktūrinė sudėtis. Pavyzdžiui, yra kietos, skystos ir dujinės fazės (vadinamos agregacijos būsenomis).

Fazinis perėjimas (fazės transformacija), V plačiąja prasme– medžiagos perėjimas iš vienos fazės į kitą, kai pasikeičia išorinės sąlygos ( T, R, magnetiniai ir elektriniai laukai ir kt.); siaurąja prasme – staigus fizikinių savybių pasikeitimas nuolat kintant išoriniams parametrams. Toliau nagrinėsime fazių perėjimus siaurąja prasme.

Yra pirmosios ir antros eilės fazių perėjimai. Pirmosios eilės fazių perėjimas yra plačiai paplitęs reiškinys gamtoje. Tai apima: garavimą ir kondensaciją, lydymą ir kietėjimą, sublimaciją arba sublimaciją (medžiagos perėjimą iš kristalinė būsena tiesiogiai, nelydant, į dujinį, pavyzdžiui, sausą ledą) ir kondensaciją į kietą fazę ir kt. Fazių perėjimai I tipą lydi šilumos išsiskyrimas arba sugėrimas (fazinio virsmo šiluma q), o tankis, komponentų koncentracija, molinis tūris ir kt.

Antros eilės fazinį perėjimą lydi ne šilumos išsiskyrimas ar sugėrimas, o, pavyzdžiui, specifinė molinė šiluminė talpa elektrinis laidumas, klampumas ir kt. Antrosios eilės fazių perėjimų pavyzdžiai apima perėjimą magnetinė medžiaga nuo feromagnetinės būsenos ( m>> 1) paramagnetinėje ( m" 1) kaitinamas iki tam tikros temperatūros, vadinamas Kiuri tašku; kai kurių metalų ir lydinių perėjimas žemoje temperatūroje nuo normalios būklėsį superlaidumą ir kt.

Darbo pabaiga -

Ši tema priklauso skyriui:

Instrumentuotė ir informatika

Rusijos Federacijos švietimo ministerija.. Maskva valstybinė akademija.. instrumentų inžinerija ir informatika.

Jei jums reikia papildomos medžiagos šia tema arba neradote to, ko ieškojote, rekomenduojame pasinaudoti paieška mūsų darbų duomenų bazėje:

Ką darysime su gauta medžiaga:

Jei ši medžiaga jums buvo naudinga, galite ją išsaugoti savo puslapyje socialiniuose tinkluose:

Visos temos šiame skyriuje:

Šilumos talpa
Specifinė šiluma medžiaga - vertė, lygi šilumos kiekiui, reikalingam 1 kg medžiagos pašildyti 1 K:

Izochorinis procesas
Jam V=konst. Parodyta šio proceso (izochoro) diagrama

Izobarinis procesas
Jam P=konst. Parodyta šio proceso schema (izobaras).

Izoterminis procesas
Jam T-konst. Pavyzdžiui, virimo, kondensacijos, lydymosi ir kristalizacijos procesai yra cheminiai grynos medžiagos atsirasti, kai pastovi temperatūra, jei išorinis slėgis yra pastovus.

Adiabatinis procesas
Tai procesas, kurio metu nevyksta šilumos mainai () tarp sistemos ir aplinką. K adiabatinis

Žiediniai procesai (ciklai)
Procesas, kurio metu sistema, išgyvenusi daugybę būsenų, grįžta į pradinę būseną, vadinamas žiediniu procesu arba ciklu. Proceso diagramoje ciklas vaizduojamas kaip uždarytas kreivai

Carnot ciklas
1824 metais prancūzų fizikas ir inžinierius N. Carnot (1796-1832) paskelbė vienintelį darbą, kuriame teoriškai išanalizavo grįžtamąjį ekonomiškiausią ciklą, susidedantį iš dviejų izotermų ir

Entropija
4.10.1. Entropija termodinamikoje Tiriant PNT (), buvo pastebėta, kad dU yra grindys

Antrasis termodinamikos dėsnis (BLT)
Išreiškiantis visuotinis įstatymas energijos išsaugojimas ir transformacija, pirmasis termodinamikos dėsnis (PLT) neleidžia mums nustatyti procesų krypties. Iš tiesų, spontaniško perdavimo procesas

Tarpmolekulinių sąveikų jėgos ir potenciali energija
1-2 paskaitose mokėmės idealios dujos, kurių molekulės turi nežymiai mažą savo tūrį ir nesąveikauja viena su kita per atstumą. Tikrųjų dujų savybės aukšto slėgio Ir

Van der Waalso lygtis (VdW)
IN mokslinė literatūra yra daugiau nei 150 skirtingų būsenų lygčių tikros dujos. Tarp jų nėra nei vieno, kuris būtų tikrai tikras ir universalus. Sustokime ties pusiausvyra

Van der Waals izotermos
Fiksuotoms P ir T reikšmėms (2) lygtis yra trečiojo laipsnio lygtis, palyginti su dujų tūriu V, todėl ji gali turėti arba tris realias šaknis (V

Fazių diagramos. Trigubas taškas
Skirtingos tos pačios medžiagos fazės gali būti pusiausvyroje, kai liečiasi viena su kita. Tokia pusiausvyra stebima tik ribotame temperatūros diapazone ir kiekvienai temperatūros vertei

Kristalinė ląstelė. Ryšių tarp gardelės dalelių tipai
Pagrindinė kristalų savybė, išskirianti juos nuo skysčių ir amorfinių kietųjų medžiagų, yra kristalą sudarančių dalelių (atomų, molekulių ar jonų) erdvinio išdėstymo periodiškumas.

Kvantinės statistikos elementai
Bangų ir dalelių dvilypumas yra viena iš pagrindinių sąvokų šiuolaikinė fizika. Kristaluose yra daug laukų, kurie demonstruoja abu šiuos aspektus – ir bangą, ir korpusą

Fermionai ir bozonai. Fermi-Dirac ir Bose-Einstein platinimas
Pagal šiuolaikinę kvantinę teoriją, visi elementari ir sudėtingos dalelės, taip pat kvazidalelės skirstomos į dvi klases – fermionus ir bozonus. Fermionai apima elektronus, proto

Dalelių sistemos degeneracijos samprata
Dalelių sistema vadinama išsigimusia, jei jos savybes lemia kvantiniai efektai skiriasi nuo savybių klasikinės sistemos. Raskime dalelių degeneracijos kriterijus. „Fermi-Dirac“ ir „Bose-Hey“ paskirstymai

Metalų elektrinio laidumo kvantinės teorijos samprata
Remiantis kvantine teorija, metale esantis elektronas neturi tikslios trajektorijos, jį galima pavaizduoti kaip bangų paketą, kurio grupės greitis lygus elektrono greičiui. Kvantinė teorija atsižvelgia į judėjimą

Kristalų juostos teorijos elementai
Praėjusį semestrą svarstėme energijos lygiai elektronas vandenilio atome [žr Paskaitų konspektas, III dalis, formulė (11.14)]. Ten buvo parodyta, kad energijos vertės, kurios gali ir

Kristalų skirstymas į dielektrikus, metalus ir puslaidininkius
Visi kristalai skirstomi į dielektrikus, metalus ir puslaidininkius. Svarstymas

Puslaidininkių savitasis laidumas
Chemiškai gryno puslaidininkio elektros laidumas (pavyzdžiui, grynas Ge arba grynas Si

Priemaišiniai puslaidininkiai
9.6.1. Donorinė priemaiša, n tipo puslaidininkiai Priemaišų patekimas į puslaidininkį labai paveikia jo elektrines savybes. Pavyzdžiui, apsvarstykite, kas atsitiks, jei grotelėje

Pn sandūra
Daugelyje šiuolaikinės elektronikos sričių svarbų vaidmenį vaidina dviejų puslaidininkių kontaktas su n ir p tipais.

Atomų branduolių sandara
Branduolys yra centrinė atomo dalis, kurioje beveik visa atomo masė ir jos teigiamas krūvis. Atomo dydis yra angstromų vienetai (1A=10-10m), o branduolio dydis ~ 10

Masės defektas ir branduolio surišimo energija
Susidarius branduoliui, jo masė mažėja: branduolio M masė mažesnė už jį sudarančių nukleonų masių sumą Dm - branduolio masės defektas: Dm=Zmp

Branduolinės jėgos ir jų savybės
Be neutronų, branduolyje yra teigiamai įkrautų protonų ir jie turėtų atstumti vienas kitą, t.y. atomo branduolys turėtų subyrėti, bet taip neįvyksta. Pasirodo, kad prie mažo

Radioaktyvumas
Radioaktyvumas yra spontaniškas branduolio sudėties pokytis, vykstantis per daug ilgesnį laiką nei būdingas branduolio laikas (10-22 s). Sutarėme manyti, kad pasikeitimas

Radioaktyvaus skilimo dėsnis
Radioaktyvusis skilimas yra statistinis reiškinys, todėl visos prognozės yra tokios tikimybinis pobūdis. Savaiminis daugelio atomų branduolių skilimas paklūsta radioaktyvaus skilimo dėsniams

Branduolinės reakcijos
Branduolinės reakcijos yra transformacijos procesai atomų branduoliai, kurią sukelia jų sąveika tarpusavyje arba su elementariomis dalelėmis. Kaip taisyklė, į branduolinės reakcijos dalyvauja dvi šerdys

Elementariosios dalelės ir šiuolaikinis fizinis pasaulio vaizdas
Pristatant koncepciją elementariosios dalelės iš pradžių buvo manoma, kad yra pirminių, tada nedalomos dalelės, iš kurios susideda visa materija. Tokie iki XX amžiaus pradžios nuo

Dalelių tarpusavio konvertavimas
Būdingas bruožas elementariosios dalelės yra jų gebėjimas tarpusavio transformacijos. Iš viso kartu su antidalelėmis buvo atrasta daugiau nei 350 elementariųjų dalelių, jų skaičius ir toliau auga. Daugiau

Antidalelės
Mikrokosme kiekviena dalelė atitinka antidalelę. Pavyzdžiui, pirmoji antidalelė – pozitronas (antielektronas) buvo atrastas 1935 m., jos krūvis yra +e. Vakuume pozitronas yra toks pat

Fazės- tai įvairios vienarūšės fizikinių ir cheminių sistemų dalys. Medžiaga yra vienalytė, kai visi medžiagos būsenos parametrai yra vienodi visuose jos elementariuose tūriuose, kurių matmenys yra dideli, palyginti su tarpatominėmis būsenomis. Įvairių dujų mišiniai visada sudaro vieną fazę, jei visame tūryje yra vienodos koncentracijos. Ta pati medžiaga, priklausomai nuo išorinių sąlygų, gali būti vienoje iš trijų agregacijos būsenų – skystos, kietos arba dujinės. Fazės yra stabilios tam tikros agregacijos būsenos. Fazės sąvoka yra platesnė nei agregacijos būsenos sąvoka.

Priklausomai nuo išorinių sąlygų, sistema gali būti pusiausvyroje arba vienoje fazėje, arba keliose fazėse vienu metu. Jų pusiausvyros egzistavimas vadinamas fazių pusiausvyra.

Garavimas Ir kondensatas - dažnai stebimi vandens fazių perėjimai supančią gamtą. Kai vanduo virsta garais, pirmiausia įvyksta garavimas – paviršinis skysčio sluoksnis virsta garais, o į garus pereina tik pačios greičiausios molekulės: jos turi įveikti aplinkinių molekulių trauką, todėl jų vidutinė kinetinė energija ir atitinkamai temperatūra. skysčio sumažėjimas. Kasdieniame gyvenime taip pat stebimas atvirkštinis procesas – kondensacija. Abu šie procesai priklauso nuo išorinių sąlygų. Kai kuriais atvejais tarp jų susidaro dinaminė pusiausvyra, kai iš skysčio išeinančių molekulių skaičius tampa lygus į jį grįžtančių molekulių skaičiui. Skysčio molekulės yra surištos patrauklių jėgų, kurios laiko jas skysčio viduje. Jei molekulės, kurių greitis viršija vidutinį, yra šalia paviršiaus, jos gali jį palikti. Tada Vidutinis greitis sumažės likusios molekulės ir sumažės skysčio temperatūra. Norint išgaruoti pastovioje temperatūroje, skysčiui reikia perduoti tam tikrą šilumos kiekį: K= rt, kur r yra savitoji garavimo šiluma, kuri mažėja didėjant temperatūrai. Kambario temperatūroje vienai vandens molekulei garavimo šiluma yra 10-20 J, tuo tarpu vidutinė energijašiluminis judėjimas lygus 6,06 10 -21 J. Tai reiškia, kad jie virsta garais

molekulės, kurių energija yra 10 kartų didesnė už šiluminio judėjimo energiją. Praeinant per skysčio paviršių, greitos molekulės potencinė energija didėja, o kinetinė energija mažėja. Todėl vidutinės garų ir skysčių molekulių kinetinės energijos ties šiluminė pusiausvyra yra lygūs.

Sotieji garai - tai garai, esantys dinaminėje pusiausvyroje, atitinkantys tam tikrą temperatūrą, su savo skysčiu. Patirtis rodo, kad jis nepaklūsta Boyle-Marriott įstatymui, nes jo slėgis nepriklauso nuo garsumo. Sočiųjų garų slėgis yra didžiausias slėgis, kurį garai gali turėti tam tikroje temperatūroje. Vandens garavimo ir kondensacijos procesai lemia sudėtingas atmosferos ir hidrosferos sąveikas, kurios yra svarbios oro ir klimato formavimuisi. Tarp atmosferos ir hidrosferos vyksta nuolatiniai medžiagų (vandens ciklas) ir energijos mainai.

Tyrimai parodė, kad nuo Pasaulio vandenyno paviršiaus, kuris sudaro 94% žemės hidrosferos, per dieną išgaruoja apie 7000 km 3 vandens ir maždaug tiek pat iškrenta kritulių pavidalu. Vandens garai, nunešami oro konvekciniu judėjimu, pakyla ir patenka į šaltus troposferos sluoksnius. Garams kylant, jie vis labiau prisotinami, tada kondensuojasi, sudarydami lietaus lašus. Troposferoje vykstant garų kondensacijos procesui, per parą išsiskiria apie 1,6-10 22 J šilumos, o tai yra dešimtis tūkstančių kartų daugiau nei per tą patį laiką žmonijos pagaminama energija.

Virimas- skysčio virsmo garais procesas dėl garų užpildytų burbuliukų plūdimo. Virimas vyksta per visą tūrį. Burbuliukų plyšimas verdančio skysčio paviršiuje rodo, kad garų slėgis juose viršija slėgį virš skysčio paviršiaus. Esant 100 °C slėgio temperatūrai sočiųjų garų lygus oro slėgiui virš skysčio paviršiaus (taip buvo pasirinktas šis skalės taškas). 5 km aukštyje oro slėgis perpus mažesnis ir vanduo ten verda 82 °C, o ties troposferos riba (17 km) - maždaug 65 °C. Todėl skysčio virimo temperatūra atitinka temperatūrą, kurioje jo sočiųjų garų slėgis yra lygus išoriniam slėgiui. Silpnas Mėnulio gravitacinis laukas (pagreitis laisvas kritimas jos paviršiuje yra tik 1,7 m/s 2) nesugeba išlaikyti atmosferos, o nesant atmosferos slėgio skystis akimirksniu užverda, todėl Mėnulio „jūros“ yra bevandenės ir susidaro iš sukietėjusios lavos. Dėl tos pačios priežasties Marso „kanalai“ taip pat yra bevandeniai.

Medžiaga gali būti pusiausvyroje ir skirtingose ​​fazėse. Taigi, kai dujos yra suskystintos fazių pusiausvyros būsenoje, tūris gali būti bet koks, o pereinamoji temperatūra yra susijusi su sočiųjų garų slėgiu. Fazių pusiausvyros kreivė gali būti gauta projekcija į plokštumą (p, T) perėjimo į skystą būseną sritis. Analitiškai dviejų fazių pusiausvyros kreivė nustatoma pagal tirpalą diferencialinė lygtis Clausius-Clapeyron. Panašiai galima gauti lydymosi ir sublimacijos kreives, kurios jungiasi viename plokštumos taške (R, D), trigubame taške (žr. 7.1 pav.), kur ties tam tikromis proporcijomis yra lygūs

sveria visas tris fazes. Trigubas taškas vanduo atitinka 569,24 Pa slėgį ir -0,0075 °C temperatūrą; anglies dvideginio - atitinkamai 5,18 10 5 Pa ir 56,6 °C. Todėl esant atmosferos slėgiui R, lygus 101,3 kPa, anglies dioksidas gali būti kietoje arba dujinė būsena. Esant kritinei temperatūrai fizines savybes skysčiai ir garai tampa identiški. Esant aukštesnei temperatūrai kritinė medžiaga gali būti tik dujinės būsenos. Dėl vandens - T = 374,2 °C, R= 22,12 MPa; chlorui - atitinkamai 144 °C ir 7,71 MPa.

Pereinamosios temperatūros yra temperatūros, kurioms esant vyksta perėjimai iš vienos fazės į kitą. Jie priklauso nuo slėgio, nors ir nevienodo laipsnio: lydymosi temperatūra yra silpnesnė, garavimo ir sublimacijos temperatūra yra stipresnė. Esant normaliam ir pastoviam slėgiui, perėjimas vyksta tam tikroje temperatūroje, čia vyksta lydymosi, virimo ir sublimacijos (arba sublimacijos) taškai.

Medžiagos perėjimas iš kietos būsenos tiesiai į dujinę gali būti stebimas, pavyzdžiui, lukštuose kometų uodegos. Kai kometa yra toli nuo Saulės, beveik visa jos masė susitelkia jos branduolyje, kurio ilgis 10-12 km. Branduolys yra apsuptas nedideliu dujų apvalkalu – tai kometos galva. Artėjant prie Saulės kometos šerdis ir apvalkalas pradeda kaisti, didėja sublimacijos tikimybė, mažėja desublimacija (atvirkštinis procesas). Iš kometos branduolio išeinančios dujos neša kietąsias daleles, kometos galvutės tūris didėja ir tampa dujų-dulkių sudėtimi. Slėgis aplink kometos branduolį yra labai mažas, todėl skystoji fazė neatsiranda. Kartu su galva auga ir kometos uodega, kuri tęsiasi toliau nuo Saulės. Kai kuriose kometose perihelyje jis pasiekia šimtus milijonų kilometrų, tačiau kometos medžiagos tankis yra nereikšmingas. Su kiekvienu artėjimu prie Saulės kometos praranda didžiąją savo masės dalį, vis daugiau lakiųjų medžiagų sublimuojasi šerdyje ir palaipsniui suyra į meteoroidus, kurie formuoja meteorų lietų. Daugiau nei 5 milijardai metų gyvavimo saulės sistema Taip daugelis kometų baigė savo egzistavimą.

1986 metų pavasarį automatinis sovietinės stotys„Vega-1“ ir „Vega-2“, pravažiavę atitinkamai 9000 ir 8200 km atstumu nuo jos, ir NASA Giotto stotis – vos 600 km atstumu nuo kometos branduolio. Šerdies matmenys buvo 14 x 7,5 km, tamsios spalvos ir maždaug 400 K temperatūra. kosminės stotys praėjo pro kometos galvą, per 1 s sublimuodama apie 40 000 kg ledinės medžiagos.

Vėlyvas ruduo, kai po drėgno oro užklumpa staigus šaltukas, matosi ant medžių šakų ir ant laidų

Frost yra desublimuoti ledo kristalai. Panašus reiškinys naudojamas ir laikant ledus, kai atšaldomas anglies dioksidas, nes molekulės, virsdamos garais, neša energiją. Marse vyksta anglies dioksido sublimacijos ir desublimacijos reiškiniai poliarinės kepurės atlieka tą patį vaidmenį kaip ir garavimas – kondensacija Žemės atmosferoje ir hidrosferoje.

Kaip nustatė Nernstas, esant itin žemai temperatūrai, šiluminė talpa linkusi į nulį. Iš čia Planckas parodė, kad netoli absoliutus nulis visi procesai vyksta nekeičiant entropijos. Einšteino teorija apie kietųjų kūnų šiluminę talpą žemoje temperatūroje leido suformuluoti Nernsto rezultatą kaip trečiąjį termodinamikos dėsnį. Neįprastos medžiagų savybės, stebimos žemoje temperatūroje – supertakumas ir superlaidumas – buvo paaiškintos šiuolaikinė teorija kaip makroskopiniai kvantiniai efektai.

Fazių perėjimai būna kelių tipų. Fazinio perėjimo metu temperatūra nesikeičia, tačiau keičiasi sistemos tūris.

Pirmos eilės fazių perėjimai medžiagos agreguotųjų būsenų pokyčiai vadinami, jei: temperatūra pastovi viso perėjimo metu; keičiasi sistemos tūris; kinta sistemos entropija. Kad įvyktų toks fazinis perėjimas, būtina tam tikram medžiagos kiekiui perduoti tam tikrą šilumos kiekį, atitinkantį latentinę virsmo šilumą.

Tiesą sakant, pereinant iš labiau kondensuotos fazės į mažesnio tankio fazę, būtina perduoti tam tikrą energijos kiekį šilumos pavidalu, kuris bus sunaikintas. kristalinė gardelė(lydymosi metu) arba skysčių molekulių pašalinimas viena nuo kitos (garinimo metu). Transformacijos metu latentinė šiluma eikvojama klijų jėgoms įveikti, šiluminio judėjimo intensyvumas nekinta, dėl to temperatūra išlieka pastovi. Esant tokiam perėjimui, didėja netvarkos laipsnis, taigi ir entropija. Jei procesas vyksta priešinga kryptimi, tada išsiskiria latentinė šiluma.

Antrosios eilės fazių perėjimai yra susiję su sistemos simetrijos pasikeitimu: virš pereinamojo taško sistema, kaip taisyklė, turi didesnę simetriją, kaip parodė L. D. Landau 1937 m. Pavyzdžiui, magnete sukimosi momentai, esantys virš pereinamojo taško, yra orientuoti atsitiktinai, o visų sukinių vienu metu sukimasis aplink tą pačią ašį tuo pačiu kampu nepakeičia sistemos savybių. Žemiau perėjimo taško nugarėlės turi tam tikrą preferencinę orientaciją, o jų sukimasis vienu metu keičia kryptį magnetinis momentas sistemos. Landau įvedė eilės koeficientą ir išplėtė termodinaminį potencialą perėjimo taške į šio koeficiento laipsnius, kuriais remdamasis sudarė visų klasifikaciją. galimi tipai perėjimas

Dov, taip pat supertakumo ir superlaidumo reiškinių teoriją. Tuo remdamiesi Landau ir Lifshitzas svarstė daugelį svarbias užduotis- feroelektrinio perėjimas į paraelektrinį, feromagnetinio į paramagnetinį, garso sugertis pereinamajame taške, metalų ir lydinių perėjimas į superlaidžią būseną ir kt.

Sistemos termodinaminių savybių skaičiavimas remiantis statistine mechanika apima konkretaus sistemos modelio pasirinkimą ir kaip sudėtingesnė sistema, tuo modelis turėtų būti paprastesnis. E. Isingas pasiūlė feromagneto modelį (1925) ir išsprendė vienmatės grandinės problemą, atsižvelgdamas į sąveiką su artimiausi kaimynai bet kokiems laukams ir temperatūrai. At matematinis aprašymas Tokioms dalelių sistemoms su intensyvia sąveika pasirenkamas supaprastintas modelis, kai vyksta tik poros tipo sąveika (toks dvimatis modelis vadinamas Isingo gardele). Tačiau fazių perėjimus ne visada buvo galima apskaičiuoti, tikriausiai dėl kai kurių neapskaitytų reiškinių, būdingų daugelio dalelių sistemoms, o pačių dalelių (skysčių dalelių ar magnetų) prigimtis neturi reikšmės. L. Onsageris pateikė tikslų dvimačio Ising modelio sprendimą (1944). Jis įdėjo dipolius prie gardelės mazgų, kurie gali būti orientuoti tik dviem būdais, ir kiekvienas toks dipolis gali sąveikauti tik su savo kaimynu. Paaiškėjo, kad perėjimo taške šiluminė talpa eina į begalybę pagal logaritminį dėsnį, simetriškai abiejose perėjimo taško pusėse. Vėliau paaiškėjo, kad ši išvada labai svarbi visiems antros eilės fazių perėjimams. Onsagero darbas parodė, kad statistinės mechanikos metodas leidžia gauti naujus fazių transformacijų rezultatus.

Antrojo, trečiojo ir kt. fazių perėjimai. rūšys siejamos su tų termodinaminio potencialo Ф išvestinių eile, kurios pereinamojo taške patiria baigtinius pokyčius. Ši fazių transformacijų klasifikacija siejama su fiziko teorinio P. Ehrenfesto darbais. Antros eilės fazinio perėjimo atveju antros eilės dariniai patiria šuolius pereinamajame taške: šilumos talpa ties pastovus slėgis C p =,suspaudžiamumas, koeficientas

ent šiluminis plėtimasis, tuo tarpu per-

išvestinės lieka nenutrūkstamos. Tai reiškia, kad šiluma neišsiskiria (absorbuoja) ir specifinis tūris nesikeičia.

Kvantinė teorija laukai pradėti naudoti dalelių sistemų skaičiavimams tik aštuntajame dešimtmetyje. XX amžiuje Sistema buvo vertinama kaip gardelė su kintamu žingsniu, kuri leido keisti skaičiavimų tikslumą ir priartėti prie tikrosios sistemos aprašymo bei naudotis kompiuteriu. Amerikiečių fizikas teorinis K. Wilsonas, naudodamas nauja technika skaičiavimai, gavo kokybinį šuolį suvokiant antros eilės fazių perėjimus, susijusius su sistemos simetrijos pertvarka. Tiesą sakant, jis kvantinę mechaniką susiejo su statistine mechanika, o jo darbas gavo pagrindinį

psichinę reikšmę. Jie taikomi ir degimo procesuose, ir elektronikoje, ir aprašyme kosminiai reiškiniai Ir branduolinės sąveikos. Wilsonas studijavo plačią kritinių reiškinių klasę ir sukūrė bendroji teorija antrosios eilės fazių perėjimai.

Įvadas.

Fazėmis vadinamos vienarūšės skirtingos fizikinių ir cheminių sistemų dalys. Medžiaga yra vienalytė, kai visi medžiagos būsenos parametrai yra vienodi visuose jos tūriuose, kurių matmenys yra dideli, palyginti su tarpatominėmis būsenomis. Įvairių dujų mišiniai visada sudaro vieną fazę, jei visame tūryje yra vienodos koncentracijos.

Ta pati medžiaga, priklausomai nuo išorinių sąlygų, gali būti vienoje iš trijų agregacijos būsenų – skystos, kietos arba dujinės. Priklausomai nuo išorinių sąlygų, jis gali būti vienoje fazėje arba keliose fazėse vienu metu. Mus supančioje gamtoje ypač dažnai stebime vandens fazinius virsmus. Pavyzdžiui: garavimas, kondensacija. Yra slėgio ir temperatūros sąlygos, kurioms esant medžiaga yra pusiausvyra skirtingose ​​fazėse. Pavyzdžiui, kai dujos yra suskystintos fazių pusiausvyros būsenoje, tūris gali būti bet koks, o pereinamoji temperatūra yra susijusi su sočiųjų garų slėgiu. Temperatūros, kurioms esant vyksta perėjimas iš vienos fazės į kitą, vadinamos perėjimo temperatūromis. Jie priklauso nuo slėgio, nors ir nevienodo laipsnio: lydymosi temperatūra yra silpnesnė, garavimo ir sublimacijos temperatūra yra stipresnė. Esant normaliam ir pastoviam slėgiui, perėjimas vyksta prie tam tikros temperatūros vertės, o čia vyksta lydymosi, virimo ir sublimacijos (arba sublimacijos) taškai. Sublimacija yra medžiagos perėjimas iš kietos į dujinę būseną ir gali būti stebimas, pavyzdžiui, kometų uodegų apvalkaluose. Kai kometa yra toli nuo saulės, beveik visa jos masė susitelkia jos branduolyje, kurio ilgis 10-12 kilometrų. Branduolys, apsuptas nedideliu dujų apvalkalu, yra vadinamoji kometos galva. Artėjant prie Saulės kometos šerdis ir apvalkalai pradeda kaisti, didėja sublimacijos tikimybė, mažėja desublimacija. Iš kometos branduolio išeinančios dujos neša kietąsias daleles, kometos galvutės tūris didėja ir tampa dujų-dulkių sudėtimi.

Pirmos ir antros eilės fazių perėjimai.

Fazių perėjimai būna kelių tipų. Medžiagos suvestinių būsenų pokyčiai vadinami pirmos eilės faziniais perėjimais, jei:

1) Temperatūra yra pastovi viso perėjimo metu.

2) Keičiasi sistemos tūris.

3) Keičiasi sistemos entropija.

Kad įvyktų toks fazinis perėjimas, būtina tam tikram medžiagos kiekiui perduoti tam tikrą šilumos kiekį, atitinkantį latentinę virsmo šilumą. Tiesą sakant, kondensuotai fazei pereinant į mažesnio tankio fazę, reikia šilumos pavidalu perduoti tam tikrą energijos kiekį, kuris bus panaudotas kristalinei gardelei sunaikinti (lydymosi metu) arba pašalinti. skysčių molekulės viena nuo kitos (garinimo metu). Transformacijos metu sukibimo jėgoms transformuoti bus naudojama latentinė šiluma, šiluminio judėjimo intensyvumas nesikeis, dėl to temperatūra išliks pastovi. Esant tokiam perėjimui, didėja netvarkos laipsnis, taigi ir entropija. Jei procesas vyksta priešinga kryptimi, tada išsiskiria latentinė šiluma. Pirmosios eilės faziniai perėjimai apima: kietosios medžiagos pavertimą skysčiu (lydymas) ir atvirkštinį procesą (kristalizacija), skysčio į garus (garavimą, virimą). Viena kristalo modifikacija į kitą (polimorfinės transformacijos). Antrojo tipo faziniai perėjimai apima: normalaus laidininko perėjimą į superlaidžią būseną, helio-1 į superskystį helio-2, feromagneto perėjimą į paramagnetinę būseną. Metalai, tokie kaip geležis, kobaltas, nikelis ir gadolinis, išsiskiria savo gebėjimu labai įmagnetinti ir išlikti įmagnetinti ilgą laiką. Jie vadinami feromagnetais. Dauguma metalų (šarmų ir šarminių žemių metalai ir nemaža dalis pereinamųjų metalų) yra silpnai įmagnetinti ir neišlaiko šios būsenos išorėje magnetinis laukas- tai paramagnetiniai. Antrosios, trečiosios ir tt fazių perėjimai yra susiję su tų termodinaminio potencialo φ išvestinių eiliškumu, kurie pereinamojo taško metu atlieka baigtinius matavimus Ernestas (1880 -1933). Taigi, esant antros eilės faziniam perėjimui, antros eilės dariniai patiria šuolius pereinamajame taške: šilumos talpa esant pastoviam slėgiui Cp = -T(?ph 2 /?T 2), suspaudžiamumas = -(1/) V 0)(? 2 f/ ?p 2), šiluminio plėtimosi koeficientas b=(1/V 0)(? 2 f/?Tp), o pirmosios išvestinės lieka tolydžios. Tai reiškia, kad šilumos išskyrimas (absorbcija) ir specifinis tūris (φ – termodinaminis potencialas) nekinta.

valstybė fazių pusiausvyra būdingas tam tikras ryšys tarp fazinės transformacijos temperatūros ir slėgio. Skaitmeniškai ši fazinių perėjimų priklausomybė pateikiama pagal Clapeyron-Clausius lygtį: p/T=q/TV. Tyrimai žemoje temperatūroje yra labai svarbi fizikos šaka. Faktas yra tas, kad tokiu būdu galite atsikratyti trukdžių, susijusių su chaotišku šiluminiu judėjimu, ir tyrinėti reiškinius „gryna“ forma. Tai ypač svarbu studijuojant kvantinius dėsnius. Paprastai dėl chaotiško šiluminio judėjimo susidaro vidurkis fizinis kiekis Autorius didelis skaičius ją skirtingos reikšmės o kvantiniai šuoliai „ištepti“.

Žema temperatūra ( kriogeninės temperatūros), fizikoje ir kriogeninėje technologijoje temperatūros diapazonas yra žemesnis nei 120°K (0°c=273°K); Carnot darbai (dirbo prie šiluminio variklio) ir Clausius padėjo pagrindą dujų ir garų savybių tyrimams, arba techninė termodinamika. 1850 m. Klausius pastebėjo, kad sotieji vandens garai plečiasi iš dalies kondensuojasi, o suspaudę pereina į perkaitintą būseną. Ypatingas indėlis prie šios plėtros mokslinė disciplina prisidėjo Renu. Vidinis dujų molekulių tūris kambario temperatūroje yra maždaug viena tūkstantoji tūrio, kurį užima dujos. Be to, molekulės viena kitą traukia didesniais atstumais nei tie, nuo kurių prasideda jų atstūmimas.

Fazių perėjimai, medžiagos perėjimai iš vienos fazės į kitą, kai pasikeičia termodinaminę pusiausvyrą apibūdinantys būsenos parametrai. Temperatūros reikšmė arba bet koks kitas fizinis dydis, kuriam esant vienkomponentėje sistemoje vyksta faziniai perėjimai, vadinama pereinamuoju tašku. Pirmosios eilės fazių perėjimų metu savybės, išreikštos pirmaisiais G dariniais slėgio atžvilgiu R, t-re T ir kiti parametrai staigiai keičiasi nuolat keičiantis šiems parametrams. Šiuo atveju pereinamoji šiluma išsiskiria arba absorbuojama. Vienkomponentėje sistemoje pereinamoji temperatūra T 1 susijusių su kraujospūdžiu R 1 Clapeyron-Clausius lygtis dp 1 /dT 1 ==QIT 1 D V, Kur K- perėjimo šiluma, D V- garsumo šuolis. Pirmojo tipo fazių perėjimui būdingi histerezės reiškiniai (pavyzdžiui, vienos iš fazių perkaitimas arba peršalimas), kurie yra būtini kitos fazės branduoliams susidaryti ir fazių perėjimams su terminalo greitis. Jei nėra stabilių branduolių, perkaitinta (peršalusi) fazė yra metastabilios pusiausvyros būsenoje. Ta pati fazė gali egzistuoti (nors ir metastabili) abiejose perėjimo taško pusėse (tačiau kristalinės fazės negali būti perkaitintos virš temperatūros ar sublimacijos). Taške F. p. I tipo Gibso energija G kaip funkcija yra ištisinė, ir abi fazės gali egzistuoti kartu tiek, kiek norima, tai yra, įvyksta vadinamasis fazių atskyrimas (pavyzdžiui, abiejų sambūvis ir tam tikram sistemos tūriui).

Pirmosios eilės fazių perėjimai yra plačiai paplitę reiškiniai gamtoje. Tai apima dujas ir skystoji fazė, tirpimas ir kietėjimas ir (desublimacija) iš dujų į kietąją fazę, dauguma polimorfinių virsmų, kai kurie struktūriniai perėjimai kietosios medžiagos, pavyzdžiui, martensito susidarymas in - . Grynose medžiagose pakankamai stiprus magnetinis laukas sukelia pirmos eilės fazių perėjimą iš superlaidžio į normalią būseną.

Antrosios rūšies fazių perėjimų metu pats kiekis G ir pirmieji dariniai G Autorius T, p ir kiti parametrai bei būsenos nuolat kinta, o antrosios išvestinės (atitinkamai koeficientas ir šiluminis plėtimasis) su nuolatiniu parametrų pasikeitimu kinta staigiai arba yra vienaskaitos. Šiluma neišskiriama ir neįsisavinama, nėra histerezės reiškinių ir metastabilių būsenų. Antrosios rūšies fazių perėjimai, stebimi keičiantis temperatūrai, apima, pavyzdžiui, perėjimą iš paramagnetinės (sutrikusios) būsenos į magnetiškai sutvarkytą būseną (feromagnetinę ir ferimagnetinę Neelio taške), kai atsiranda spontaniškas įmagnetėjimas (atitinkamai). visoje gardelėje arba kiekvienoje iš magnetinių subgardelių); perėjimas - su spontanišku atsiradimu. tvarkingos būsenos išvaizda kietose medžiagose (lydinių tvarka); smektinis perėjimas skystieji kristalaiį nematinę fazę, kurią lydi nenormalus šilumos talpos padidėjimas, taip pat perėjimai tarp skirtingų smektinių fazių; l - perėjimas prie 4 He, lydimas anomaliai didelio ir pernelyg skystumo. Perėjimas į superlaidžią būseną, kai nėra magnetinio lauko.

Fazių perėjimai gali būti siejami su slėgio pokyčiais. Daugelis medžiagų esant žemam slėgiui kristalizuojasi į laisvai supakuotas struktūras. Pavyzdžiui, struktūra yra sluoksnių, plačiai nutolusių vienas nuo kito, serija. Esant pakankamai aukštam slėgiui, tokios laisvos konstrukcijos atitinka didelės vertės Gibbso energijos ir žemesnes vertes atitinka pusiausvyros uždaras fazes. Todėl esant aukštam slėgiui grafitas virsta deimantu. Kvantas 4 He ir 3 He išlieka skysti esant normaliam slėgiui iki žemiausio pasiekė temperatūras arti absoliutaus nulio. To priežastis yra silpna sąveika ir didelė jų „nulinių virpesių“ amplitudė (didelė tikimybė kvantinis tunelis iš vienos fiksuotos padėties į kitą). Tačiau dėl padidėjimo skystas helis sukietėja; pavyzdžiui, 4 He, esant 2,5 MPa, sudaro šešiagenį, sandarią gardelę.

Bendrą antros eilės fazių perėjimų interpretaciją 1937 m. pasiūlė L.D. Landau. Virš pereinamojo taško sistema, kaip taisyklė, turi didesnę simetriją nei žemiau pereinamojo taško, todėl antros eilės fazių perėjimai interpretuojami kaip taškas. simetrijos pasikeitimas. Pavyzdžiui, feromagnete, virš Curie taško, dalelių sukimosi magnetinių momentų kryptys pasiskirsto chaotiškai, todėl visų sukinių vienu metu sukimasis aplink tą pačią ašį tuo pačiu kampu fizinės būsenos nekeičia. sistemos savybės. Žemiau perėjimo taško sukiniai turi pirmenybę, o jų jungtinis sukimasis aukščiau nurodyta prasme keičia sistemos magnetinio momento kryptį. Dviejų komponentų lydinyje, kurio atomai A ir B yra paprastos kubinės kristalinės gardelės vietose, netvarkinga būsena pasižymi chaotišku A ir B pasiskirstymu gardelės vietose, todėl gardelės pasislinkimas vienas periodas savybių nekeičia. Žemiau pereinamojo taško lydinio atomai išsidėstę tvarkingai: ...ABAB... Tokią gardelę pakeitus periodu, visi A pakeičiami B ir atvirkščiai. Taigi gardelės simetrija mažėja, nes atomų A ir B suformuotos subgardelės tampa neekvivalentiškos.

Simetrija atsiranda ir staiga išnyksta; šiuo atveju simetrijos pažeidimas gali būti apibūdinamas fiziniu. dydis, kuris nuolat kinta vykstant antros rūšies fazių perėjimui ir vadinamas. užsakymo parametras. Gryniems skysčiams šis parametras yra tankis, tirpalams - sudėtis, fero- ir ferimagnetams - savaiminis įmagnetinimas, feroelektrikams - savaiminis. elektrinė poliarizacija, lydiniams - smektinių skystųjų kristalų tvarkingųjų dalis - tankio bangos amplitudė ir tt Visais aukščiau nurodytais atvejais, esant temperatūrai, viršijančiai antrojo tipo fazių virsmų tašką, eilės parametras lygus nuliui, žemiau šio taško prasideda jo nenormalus augimas, dėl kurio maks. vertė, kai T = O.

Pereinamosios šilumos, tankio šuolių ir koncentracijų nebuvimas, būdingas antros eilės fazių perėjimui, taip pat pastebimas kritiniame pirmosios eilės fazių perėjimų kreivių taške. Panašumas pasirodo labai gilus. Medžiagos būseną šalia kritinio taško taip pat galima apibūdinti kiekiu, kuris atlieka eilės parametro vaidmenį. Pavyzdžiui, esant skysčio ir garų pusiausvyrai, toks parametras yra medžiagos tankio nuokrypis nuo kritinė vertė: judant išilgai kritinio izochoro iš šono aukšta temperatūra dujos yra vienalytės ir tankio nuokrypis nuo kritinės reikšmės lygus nuliui, o žemiau kritinės temperatūros medžiaga stratifikuojasi į dvi fazes, kurių kiekvienoje tankio nuokrypis nuo kritinės reikšmės nėra lygus nuliui.

Kadangi fazės mažai skiriasi viena nuo kitos šalia antros eilės fazių perėjimų taško, galimi eilės parametro svyravimai, kaip ir šalia kritinio taško. Tai siejama su kritiniais reiškiniais antros eilės fazių virsmų taškuose: anomaliu feromagnetų magnetinio jautrumo ir feroelektrikų dielektrinio jautrumo padidėjimu (analogas – padidėjimas netoli kritinio skysčio-garų perėjimo taško); staigus šilumos talpos padidėjimas; nenormalus šviesos bangų sklaida skysčio-garų sistemoje (vadinamoji kritinė opalescencija), rentgeno spinduliai kietose medžiagose, neutronai feromagnetuose. Dinaminiai procesai taip pat labai kinta, o tai susiję su labai lėta atsiradusių svyravimų rezorbcija. Pavyzdžiui, šalia kritinio skysčio-garų taško Rayleigh šviesos sklaidos linija susiaurėja šalia Curie ir Néel taškų atitinkamai feromagnetuose ir antiferomagnetuose sukimosi difuzija sulėtėja (perteklinio įmagnetinimo plitimas, vykstantis pagal difuzijos dėsnius). Vidutinis svyravimų dydis (koreliacijos spindulys) didėja artėjant prie antrosios eilės fazių perėjimų ir šiuo metu tampa anomaliai didelis. Tai reiškia, kad bet kuri medžiagos dalis pereinamajame taške „jaučia“ pokyčius, įvykusius likusiose dalyse. Priešingai, toli nuo antrojo tipo pereinamojo taško, svyravimai yra statistiškai nepriklausomi ir atsitiktiniai būsenos pokyčiai tam tikroje sistemos dalyje neturi įtakos kitų jos dalių savybėms.