Témy Kódovač jednotnej štátnej skúšky : zmena agregovaných stavov hmoty, topenie a kryštalizácia, vyparovanie a kondenzácia, varenie kvapaliny, zmena energie pri fázových prechodoch.

Ľad, voda a vodná para - príklady troch stavov agregácie látky: pevné, kvapalné a plynné. V akom presnom stave agregácie sa daná látka nachádza, závisí od jej teploty a iných vonkajších podmienok, v ktorej sa nachádza.

Pri zmene vonkajších podmienok (napr. ak sa vnútorná energia telesa v dôsledku zahrievania alebo ochladzovania zvyšuje alebo znižuje), môžu nastať fázové prechody – zmeny súhrnných stavov hmoty telesa. Nás bude zaujímať nasledovné fázové prechody.

Topenie(tuhá látka-kvapalina) a kryštalizácia(kvapalina-tuhá látka).
Odparovanie(kvapalná para) a kondenzácia(parná kvapalina).

Topenie a kryštalizácia

Väčšina pevných látok je kryštalický, t.j. mať kryštálová mriežka- prísne definované, periodicky sa opakujúce usporiadanie jeho častíc v priestore.

Častice (atómy alebo molekuly) kryštalickej pevnej látky podliehajú tepelným vibráciám v blízkosti pevných rovnovážnych polôh - uzly kryštálová mriežka.

Napríklad uzly kryštálovej mriežky stolová soľ- to sú vrcholy kubických buniek „trojrozmerného kockovaný papier(pozri obr. 1, na ktorom sú gule väčšia veľkosť predstavujú atómy chlóru (obrázok z en.wikipedia.org.)); Ak necháte vypariť vodu zo soľného roztoku, zo zvyšnej soli bude kopa malých kociek.

Ryža. 1. Kryštálová mriežka

Topenie nazývaná premena kryštalickej pevnej látky na kvapalinu. Akékoľvek telo sa dá roztaviť - na to ho musíte zahriať bod topenia, ktorý závisí len od hmoty telesa, nie však od jeho tvaru či veľkosti. Teplotu topenia danej látky možno určiť z tabuliek.

Naopak, ak kvapalinu ochladíte, skôr či neskôr prejde do tuhého skupenstva. Premena kvapaliny na kryštalickú pevnú látku sa nazýva kryštalizácia alebo otužovanie. Topenie a kryštalizácia sú teda vzájomne inverzné procesy.

Teplota, pri ktorej kvapalina kryštalizuje, sa nazýva kryštalizačná teplota. Ukazuje sa, že teplota kryštalizácie sa rovná teplote topenia: pri danej teplote môžu nastať oba procesy. Takže, keď sa ľad topí, voda kryštalizuje; Čo presne vyskytuje sa v každom konkrétnom prípade – závisí od vonkajších podmienok (napríklad či sa látke teplo dodáva alebo z nej odoberá).

Ako prebieha topenie a kryštalizácia? Aký je ich mechanizmus? Aby sme pochopili podstatu týchto procesov, uvažujme o grafoch závislosti teploty tela od času pri jeho zahrievaní a ochladzovaní - takzvané grafy topenia a kryštalizácie.

Graf topenia

Začnime s grafom topenia (obr. 2). Vpustiť počiatočný momentčas (bod na grafe), teleso je kryštalické a má určitú teplotu.

Ryža. 2. Graf topenia

Potom sa začne do tela privádzať teplo (povedzme, že sa teleso vloží do taviacej pece) a telesná teplota stúpne na hodnotu - teplotu topenia danej látky. Toto je časť grafu.

Na mieste telo prijíma množstvo tepla

kde je merná tepelná kapacita tuhej látky a je hmotnosť telesa.

Po dosiahnutí teploty topenia (v bode ) sa situácia kvalitatívne zmení. Napriek tomu, že teplo je naďalej dodávané, telesná teplota zostáva nezmenená. Deje sa na mieste topenie teleso - jeho postupný prechod z pevného do kvapalného. Vo vnútri pozemku máme zmes pevný a kvapalina, a čím bližšie k bodu, tým menej pevnej látky zostáva a tým viac sa objavuje kvapalina. Nakoniec z pôvodného pevného telesa v určitom bode nezostalo nič: úplne sa zmenilo na kvapalinu.

Oblasť zodpovedá ďalšiemu zahrievaniu kvapaliny (alebo, ako sa hovorí, roztopiť). V tejto oblasti kvapalina absorbuje množstvo tepla

kde je merná tepelná kapacita kvapaliny.

Čo nás však teraz najviac zaujíma, je oblasť fázového prechodu. Prečo sa v tejto oblasti nemení teplota zmesi? Prichádza teplo!

Vráťme sa na začiatok procesu zahrievania. Zvýšenie teploty pevného telesa v oblasti je výsledkom zvýšenia intenzity vibrácií jeho častíc v uzloch kryštálovej mriežky: dodané teplo sa zvyšuje kinetická energie častíc telesa (v skutočnosti sa určitá časť dodaného tepla vynakladá na prácu na zväčšenie priemerných vzdialeností medzi časticami - ako vieme, telesá sa pri zahrievaní rozťahujú. Táto časť je však taká malá, že môže byť ignorované.).

Kryštálová mriežka sa čoraz viac uvoľňuje a pri teplote topenia rozsah vibrácií dosahuje hraničnú hodnotu, pri ktorej sú príťažlivé sily medzi časticami ešte schopné zabezpečiť ich usporiadané vzájomné usporiadanie. Pevné teleso začne „praskať vo švíkoch“ a ďalšie zahrievanie ničí kryštálovú mriežku - takto začína tavenie v oblasti.

Od tohto momentu sa všetko dodané teplo využíva na vykonávanie prác na rozbití väzieb, ktoré držia častice v uzloch kryštálovej mriežky, t.j. zvýšiť potenciál energia častíc. Kinetická energia častíc zostáva rovnaká, takže teplota tela sa nemení. Na mieste kryštálovú štruktúru zmizne úplne, už nie je čo ničiť a dodané teplo opäť ide na zvýšenie kinetickej energie častíc - na ohrev taveniny.

Špecifické teplo topenia

Na premenu tuhej látky na kvapalinu teda nestačí priviesť ju k bodu topenia. Na úplnú deštrukciu kryštálovej mriežky (t.j. prechod cez rez) je potrebné dodatočne (už pri teplote topenia) poskytnúť telu určité množstvo tepla.

Toto množstvo tepla zvyšuje potenciálnu energiu interakcie častíc. V dôsledku toho je vnútorná energia taveniny v určitom bode väčšia ako vnútorná energia tuhej látky v určitom bode.

Skúsenosti ukazujú, že hodnota je priamo úmerná telesnej hmotnosti:

Koeficient proporcionality nezávisí od tvaru a veľkosti tela a je charakteristikou látky. To sa nazýva špecifické teplo topenia látky. Merné teplo topenia danej látky nájdete v tabuľkách.

Špecifické teplo topenia sa číselne rovná množstvu tepla potrebného na premenu jedného kilogramu danej kryštalickej látky privedenej k bodu topenia na kvapalinu.

takže, špecifické teplo topenie ľadu sa rovná kJ/kg, olovo - kJ/kg. Vidíme, že na zničenie kryštálovej mriežky ľadu je potrebných takmer dvakrát toľko energie! Ľad je látka s vysokým špecifickým teplom topenia, a preto sa na jar hneď neroztopí (príroda urobila vlastné opatrenia: ak by mal ľad rovnaké špecifické teplo topenia ako olovo, celá masa ľadu a snehu by sa roztopila spolu s najprv roztopiť, zaplaviť všetko okolo).

Graf kryštalizácie

Teraz prejdime k úvahám kryštalizácia- proces opačný k taveniu. Začneme od bodu predchádzajúceho výkresu. Predpokladajme, že v bode sa ohrev taveniny zastavil (sporák bol vypnutý a tavenina bola vystavená vzduchu). Ďalšie zmeny teploty taveniny sú znázornené na obr. (3).

Ryža. 3. Graf kryštalizácie

Kvapalina sa ochladzuje (sekcia), kým jej teplota nedosiahne kryštalizačnú teplotu, ktorá sa zhoduje s teplotou topenia.

Od tohto momentu sa teplota taveniny prestáva meniť, hoci teplo z nej stále uniká do okolia. Deje sa na mieste kryštalizácia tavenina – jej postupný prechod do tuhého skupenstva. Vo vnútri oblasti máme opäť zmes tuhej a kvapalnej fázy a čím bližšie k bodu, tým sa stáva pevnejším a menej tekutým. Nakoniec v bode nezostala žiadna kvapalina - úplne skryštalizovala.

Ďalší úsek zodpovedá ďalšiemu ochladzovaniu pevného telesa, ktoré je výsledkom kryštalizácie.

Opäť nás zaujíma časť fázového prechodu: prečo zostáva teplota nezmenená napriek strate tepla?

Vráťme sa opäť k veci. Po zastavení dodávky tepla teplota taveniny klesá, pretože jej častice postupne strácajú kinetickú energiu v dôsledku zrážok s molekulami prostredia a emisie elektromagnetických vĺn.

Keď teplota taveniny klesne na kryštalizačnú teplotu (bod), jej častice sa spomalia natoľko, že ich príťažlivé sily dokážu správne „rozvinúť“ a dať im presne definovanú vzájomnú orientáciu v priestore. Tým sa vytvoria podmienky pre vznik kryštálovej mriežky a tá sa vlastne začne vytvárať ďalším uvoľňovaním energie z taveniny do okolitého priestoru.

Súčasne sa spustí opačný proces uvoľňovania energie: keď častice zaujmú svoje miesta v uzloch kryštálovej mriežky, potenciálna energia prudko klesá, čím sa zvyšuje ich kinetická energia - kryštalizujúca kvapalina je zdrojom tepla (často môžete vidieť vtáky sediace v blízkosti ľadovej diery. Vyhrievajú sa tam!). Teplo uvoľnené pri kryštalizácii presne kompenzuje tepelné straty do okolia, a preto sa teplota v priestore nemení.

V tomto bode tavenina zmizne a spolu s dokončením kryštalizácie zmizne aj tento vnútorný „generátor“ tepla. V dôsledku pokračujúceho rozptylu energie v vonkajšie prostredie pokles teploty sa obnoví, ale vytvorené pevné teleso (úsek ) sa iba ochladí.

Ako ukazujú skúsenosti, počas kryštalizácie v oblasti, presne to isté množstvo tepla, ktoré bolo absorbované počas tavenia v oblasti.

Vyparovanie a kondenzácia

Odparovanie je prechod kvapaliny do plynného skupenstva (v para). Existujú dva spôsoby odparovania: odparovanie a varenie.

Odparovanie nazývaná vaporizácia, ku ktorej dochádza pri akejkoľvek teplote s voľný povrch kvapaliny. Ako si pamätáte z listu „Nasýtená para“, príčinou vyparovania je odchod najrýchlejších molekúl z kvapaliny, ktoré sú schopné prekonať sily medzimolekulovej príťažlivosti. Tieto molekuly tvoria paru nad povrchom kvapaliny.

Odparujú sa rôzne kvapaliny pri rôznych rýchlostiach: ako viac energie vzájomná príťažlivosť molekúl - t menšie číslo molekuly za jednotku času ich budú môcť prekonať a vyletieť, a tým nižšia je rýchlosť odparovania. Éter, acetón a alkohol sa rýchlo vyparujú (niekedy sa im hovorí prchavé kvapaliny), voda sa vyparuje pomalšie a olej a ortuť sa vyparujú oveľa pomalšie ako voda.

Rýchlosť vyparovania sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou (v horúcom počasí bielizeň rýchlejšie schne), pretože priemerná kinetická energia molekúl kvapaliny sa zvyšuje a tým sa zvyšuje počet rýchlych molekúl schopných opustiť svoje limity.

Rýchlosť odparovania závisí od plochy povrchu kvapaliny: než väčšia plocha, čím viac molekúl získa prístup k povrchu a rýchlejšie sa odparuje (preto sa pri vešaní bielizne opatrne narovnáva).

Súčasne s vyparovaním sa pozoruje aj opačný proces: molekuly pary sa náhodne pohybujú nad povrchom kvapaliny a čiastočne sa vracajú späť do kvapaliny. Premena pary na kvapalinu sa nazýva kondenzácia.

Kondenzácia spomaľuje odparovanie kvapaliny. Bielizeň teda na suchom vzduchu schne rýchlejšie ako na vlhkom vzduchu. Vo vetre bude schnúť rýchlejšie: para je unášaná vetrom a odparovanie prebieha intenzívnejšie

V niektorých situáciách môže byť miera kondenzácie rovnakú rýchlosť odparovanie. Potom sa oba procesy navzájom kompenzujú a nastáva dynamická rovnováha: kvapalina sa z tesne uzavretej fľaše roky nevyparuje a v tomto prípade nasýtená para.

Neustále pozorujeme kondenzáciu vodnej pary v atmosfére vo forme mrakov, dažďa a rosy, ktorá padá ráno; Práve vyparovanie a kondenzácia zabezpečujú kolobeh vody v prírode a podporujú život na Zemi.

Keďže vyparovanie je odchod najrýchlejších molekúl z kvapaliny, počas procesu vyparovania klesá priemerná kinetická energia molekúl kvapaliny, t.j. kvapalina sa ochladí. Pocit chladu a niekedy až chladu (najmä vo vetre) poznáte veľmi dobre, keď vychádzate z vody: voda, ktorá sa vyparuje po celom povrchu tela, odvádza teplo, zatiaľ čo vietor urýchľuje proces odparovania ( už je jasné, prečo fúkame horúci čaj. Mimochodom, je ešte lepšie do seba nasať vzduch, keďže na povrch čaju potom prichádza suchý okolitý vzduch a nie vlhký vzduch z pľúc ;-)).

Rovnaký chlad pocítite, ak si po ruke prejdete kúskom vaty namočenej v prchavom rozpúšťadle (povedzme acetón alebo odstraňovač laku na nechty). V štyridsaťstupňových horúčavách si vďaka zvýšenému odparovaniu vlhkosti cez póry nášho tela udržiavame teplotu na normálnej úrovni; Bez tohto termoregulačného mechanizmu by sme v takom teple jednoducho zomreli.

Naopak, počas procesu kondenzácie sa kvapalina zahrieva: keď sa molekuly pary vracajú do kvapaliny, sú urýchlené príťažlivými silami z blízkych molekúl kvapaliny, v dôsledku čoho sa zvyšuje priemerná kinetická energia molekúl kvapaliny ( porovnajte tento jav s uvoľňovaním energie pri kryštalizácii taveniny!).

Vriaci

Vriaci- toto je odparovanie, ku ktorému dochádza v celom objeme kvapaliny.

Var je možný, pretože v kvapaline je vždy rozpustené určité množstvo vzduchu, ktorý sa tam dostáva difúziou. Keď sa kvapalina zahrieva, tento vzduch expanduje, vzduchové bubliny sa postupne zväčšujú a stávajú sa viditeľnými voľným okom(v panvici s vodou sa ukladajú na dne a stenách). Vo vnútri vzduchových bublín sa nachádza nasýtená para, ktorej tlak, ako si pamätáte, sa so zvyšujúcou sa teplotou rýchlo zvyšuje.

Čím väčšie sú bubliny, tým väčšia je Archimedova sila, ktorá na ne pôsobí a v určitom momente sa bubliny začnú oddeľovať a vznášať sa. Bubliny stúpajú nahor a vstupujú do menej zahriatych vrstiev kvapaliny; para v nich kondenzuje a bubliny sa opäť zmenšujú. Kolaps bublín spôsobuje známy zvuk, ktorý predchádza vareniu kanvice. Nakoniec sa po čase celá tekutina rovnomerne zahreje, bublinky sa dostanú na povrch a prasknú, vyvrhnú vzduch a paru – hluk vystrieda grganie, tekutina vrie.

Bubliny tak slúžia ako „vodiče“ pár z vnútra kvapaliny na jej povrch. Počas varu, spolu s bežným odparovaním, sa kvapalina v celom objeme premieňa na paru - odparovanie na vzduchové bubliny s následným uvoľňovaním pary von. Preto sa vriaca tekutina vyparuje veľmi rýchlo: kanvica, z ktorej by sa voda vyparovala dlhé dni, sa vyvarí za pol hodiny.

Na rozdiel od vyparovania, ku ktorému dochádza pri akejkoľvek teplote, kvapalina začne vrieť až vtedy, keď dosiahne bod varu- presne taká teplota, pri ktorej sú vzduchové bubliny schopné plávať a dostať sa na povrch. Pri tlaku bodu varu nasýtená para sa rovná vonkajšiemu tlaku na kvapalinu(najmä atmosferický tlak). V súlade s tým, čím väčší je vonkajší tlak, tým vyššia je teplota, pri ktorej začne varenie.

Za normálnych podmienok atmosferický tlak(atm alebo Pa) bod varu vody je . Preto tlak nasýtenej vodnej pary pri teplote je Pa. Táto skutočnosť musí byť známa, aby sa vyriešili problémy – často sa štandardne považuje za známu.

Na vrchole Elbrusu je atmosférický tlak atm a voda tam bude vrieť pri teplote . A pod tlakom atm začne voda vrieť iba pri .

Teplota varu (pri normálnom atmosférickom tlaku) je presne definovaná hodnota pre danú kvapalinu (body varu uvedené v tabuľkách učebníc a referenčných kníh sú teploty varu chemicky čistých kvapalín. Prítomnosť nečistôt v kvapaline môže zmeniť teplotu varu Napríklad voda z vodovodu obsahuje rozpustený chlór a niektoré soli, preto sa jej bod varu pri normálnom atmosférickom tlaku môže mierne líšiť od ). Takže alkohol vrie pri , éter - pri , ortuť - pri . Upozornenie: čím je kvapalina prchavejšia, tým je jej bod varu nižší. V tabuľke bodov varu tiež vidíme, že kyslík vrie pri. To znamená, že pri normálnych teplotách je kyslík plyn!

Vieme, že ak kanvicu odstavíme z ohňa, var sa okamžite zastaví – proces varu si vyžaduje nepretržitý prísun tepla. Zároveň sa teplota vody v kanvici po uvarení prestane meniť a zostane po celý čas rovnaká. Kam putuje dodané teplo?

Situácia je podobná ako pri procese tavenia: teplo sa používa na zvýšenie potenciálnej energie molekúl. IN v tomto prípade- vykonávať prácu na odstránenie molekúl na také vzdialenosti, že príťažlivé sily nebudú schopné udržať molekuly blízko seba a kvapalina sa zmení na plynné skupenstvo.

Graf varu

Uvažujme o grafickom znázornení procesu ohrevu kvapaliny – tzv graf varu(obr. 4).

Ryža. 4. Graf varu

Oblasť predchádza začiatku varu. V oblasti kvapalina vrie, jej hmotnosť klesá. V tomto bode sa kvapalina úplne vyvarí.

Na prejdenie úseku, t.j. Aby sa kvapalina privedená k bodu varu úplne zmenila na paru, musí sa jej dodať určité množstvo tepla. Skúsenosti ukazujú, že dané množstvo tepla je priamo úmerné hmotnosti kvapaliny:

Faktor proporcionality je tzv špecifické teplo vyparovania kvapaliny (pri bode varu). Merné teplo vyparovania sa číselne rovná množstvu tepla, ktoré sa musí dodať 1 kg kvapaliny odobratej pri bode varu, aby sa úplne premenila na paru.

Takže pri mernom skupenstve vyparovania vody sa rovná kJ/kg. Zaujímavé je porovnanie so špecifickým teplom topenia ľadu (kJ/kg) – špecifické teplo vyparovania je takmer sedemkrát väčšie! To nie je prekvapujúce: koniec koncov, na roztopenie ľadu stačí zničiť usporiadané usporiadanie molekúl vody v uzloch kryštálovej mriežky; zároveň zostávajú vzdialenosti medzi molekulami približne rovnaké. Ale aby ste premenili vodu na paru, musíte niečo urobiť dobrá práca prerušením všetkých väzieb medzi molekulami a odstránením molekúl do značnej vzdialenosti od seba.

Kondenzačný graf

Proces kondenzácie pary a následného ochladzovania kvapaliny vyzerá na grafe symetricky k procesu ohrevu a varu. Tu je ten relevantný kondenzačný graf pre prípad stostupňovej vodnej pary, s ktorou sa najčastejšie stretávame pri problémoch (obr. 5).

Ryža. 5. Kondenzačný graf

V bode máme vodnú paru na . V oblasti dochádza ku kondenzácii; vnútri tejto oblasti je zmes pary a vody pri . V tomto bode už nie je para, je tam len voda pri . Oblasťou je ochladzovanie tejto vody.

Skúsenosti ukazujú, že pri kondenzácii pár hmoty (t. j. pri prechode úsekom) sa uvoľní presne také množstvo tepla, aké bolo vynaložené na premenu kvapalnej hmoty na paru pri danej teplote.

Pre zábavu porovnajme nasledujúce množstvá tepla:

Ktorý sa uvoľňuje pri kondenzácii vodnej pary;
, ktorý sa uvoľní, keď sa výsledná 100-stupňová voda ochladí na teplotu povedzme .

J;
J.

Tieto čísla jasne ukazujú, že popálenie parou je oveľa horšie ako popálenie vriacou vodou. Keď sa vriaca voda dostane do kontaktu s pokožkou, uvoľní sa „iba“ (vriaca voda sa ochladí). Ale v prípade popálenia sa najskôr rádovo uvoľní para veľká kvantita tepla (kondenzuje para), vznikne sto stupňová voda, po ktorej sa pri ochladení tejto vody pridá rovnaká hodnota.

Fáza je súbor častí systému, ktoré sú identické vo všetkých fyzikálnych, chemických vlastnostiach a konštrukčné zloženie. Napríklad existujú tuhé, kvapalné a plynné fázy (nazývané stavy agregácie).

Fázový prechod (fázová transformácia), V v širokom zmysle– prechod látky z jednej fázy do druhej pri zmene vonkajších podmienok ( T, R magnetické a elektrické polia atď.); v užšom zmysle – náhla zmena fyzikálnych vlastností s kontinuálnou zmenou vonkajších parametrov. Ďalej budeme uvažovať o fázových prechodoch v užšom zmysle.

Existujú fázové prechody prvého a druhého rádu. Fázový prechod prvého rádu je v prírode rozšírený jav. Patria sem: vyparovanie a kondenzácia, topenie a tuhnutie, sublimácia alebo sublimácia (prechod látky z kryštalický stav priamo, bez topenia, na plynný, napríklad suchý ľad) a kondenzáciou na tuhú fázu atď. Fázové prechody Typ I sú sprevádzané uvoľňovaním alebo absorpciou tepla (teplo fázového prechodu q), pričom sa prudko mení hustota, koncentrácia zložiek, molárny objem atď.

Fázový prechod druhého rádu nie je sprevádzaný uvoľňovaním alebo absorpciou tepla plynule sa mení hustota, ale napríklad molárna tepelná kapacita, špecifická elektrická vodivosť Príklady fázových prechodov druhého rádu zahŕňajú prechod magnetická látka z feromagnetického stavu ( m >> 1) v paramagnetickom ( m" 1) pri zahriatí na určitú teplotu, nazývanú Curieho bod; prechod niektorých kovov a zliatin pri nízkych teplotách z normálny stav do supravodivosti atď.

Koniec práce -

Táto téma patrí do sekcie:

Prístrojové vybavenie a informatika

Ministerstvo školstva Ruskej federácie.. Moskva štátna akadémia.. prístrojové inžinierstvo a informatika..

Ak potrebujete ďalší materiál k tejto téme, alebo ste nenašli to, čo ste hľadali, odporúčame použiť vyhľadávanie v našej databáze diel:

Čo urobíme s prijatým materiálom:

Ak bol tento materiál pre vás užitočný, môžete si ho uložiť na svoju stránku v sociálnych sieťach:

Všetky témy v tejto sekcii:

Tepelná kapacita
Špecifické teplo látka - hodnota rovnajúca sa množstvu tepla potrebného na zahriatie 1 kg látky o 1 K:

Izochorický proces
Pre neho V=konšt. Je znázornený diagram tohto procesu (izochóra).

Izobarický proces
Pre neho P=konšt. Je znázornený diagram tohto procesu (izobara).

Izotermický proces
Pre neho T-konst. Napríklad procesy varu, kondenzácie, topenia a kryštalizácie sú chemicky čisté látky nastať, keď konštantná teplota, ak je vonkajší tlak konštantný.

Adiabatický proces
Ide o proces, pri ktorom nedochádza k výmene tepla () medzi systémom a životné prostredie. K adiabatické

Kruhové procesy (cykly)
Proces, v ktorom sa systém, ktorý prešiel sériou stavov, vracia do svojho pôvodného stavu, sa nazýva kruhový proces alebo cyklus. V diagrame procesu je cyklus znázornený ako uzavretý nakrivo

Carnotov cyklus
V roku 1824 francúzsky fyzik a inžinier N. Carnot (1796-1832) publikovali jedinú prácu, v ktorej teoreticky analyzovali reverzibilný najúspornejší cyklus pozostávajúci z dvoch izoterm a

Entropia
4.10.1. Entropia v termodynamike Pri štúdiu PNT () sa zistilo, že dU je podlaha

Druhý zákon termodynamiky (BLT)
Vyjadrovanie univerzálny zákon zachovania a transformácie energie, prvý zákon termodynamiky (PLT) nám neumožňuje určiť smer procesov. Vskutku, proces spontánneho prenosu

Sily a potenciálna energia medzimolekulových interakcií
Na prednáškach 1-2 sme sa učili ideálne plyny, ktorých molekuly majú zanedbateľne malý vlastný objem a neinteragujú medzi sebou na diaľku. Vlastnosti reálnych plynov pri vysoké tlaky A

Van der Waalsova rovnica (VdW)
IN vedeckej literatúry existuje viac ako 150 rôznych stavových rovníc skutočný plyn. Medzi nimi nie je jediný, ktorý by bol skutočne pravdivý a univerzálny. Zastavme sa pri rovnováhe

Van der Waalsove izotermy
Pre pevné hodnoty P a T je rovnica (2) rovnicou tretieho stupňa vo vzťahu k objemu plynu V, a preto môže mať buď tri skutočné korene (V

Fázové diagramy. Trojitý bod
Rôzne fázy tej istej látky môžu byť pri vzájomnom kontakte v rovnováhe. Takáto rovnováha sa pozoruje iba v obmedzenom rozsahu teplôt a pre každú hodnotu teploty

Kryštálová bunka. Typy spojení medzi mriežkovými časticami
Hlavným znakom kryštálov, ktorý ich odlišuje od kvapalín a amorfných pevných látok, je periodicita priestorového usporiadania častíc (atómov, molekúl alebo iónov), ktoré tvoria kryštál.

Prvky kvantovej štatistiky
Dualita vĺn a častíc je jedným zo základných pojmov moderná fyzika. V kryštáloch je veľa polí, ktoré vykazujú obidva tieto aspekty – vlnové aj telieskové

Fermióny a bozóny. Fermi-Diracovo a Bose-Einsteinovo rozdelenie
Podľa modernej kvantovej teórie všetky elementárne a komplexné častice, ako aj kvázičastice sa delia na dve triedy – fermióny a bozóny. Fermióny zahŕňajú elektróny, proto

Koncept degenerácie časticového systému
Systém častíc sa nazýva degenerovaný, ak sú jeho vlastnosti spôsobené kvantové efekty sa líšia od vlastností klasické systémy. Poďme nájsť kritériá pre degeneráciu častíc. Distribúcie Fermi-Dirac a Bose-Hey

Pojem kvantovej teórie elektrickej vodivosti kovov
Podľa kvantovej teórie elektrón v kove nemá presnú trajektóriu, môže byť reprezentovaný ako vlnový balík so skupinovou rýchlosťou rovnajúcou sa rýchlosti elektrónu. Kvantová teória počíta s pohybom

Prvky pásovej teórie kryštálov
Minulý semester sme zvažovali energetické hladiny elektrón v atóme vodíka [pozri Poznámky z prednášky, časť III, vzorec (11.14)]. Ukázalo sa tam, že energetické hodnoty, ktoré môžu a

Rozdelenie kryštálov na dielektrika, kovy a polovodiče
Všetky kryštály sú rozdelené na dielektrika, kovy a polovodiče. Úvaha

Vlastná vodivosť polovodičov
Elektrická vodivosť chemicky čistého polovodiča (napríklad čistého Ge alebo čistého Si

Nečistotné polovodiče
9.6.1. Donorová nečistota, polovodiče typu n Zavedenie nečistôt do polovodiča výrazne ovplyvňuje jeho elektrické vlastnosti. Zvážte napríklad, čo sa stane, ak v mriežke

Pn križovatka
V mnohých oblastiach modernej elektroniky hrá dôležitú úlohu kontakt dvoch polovodičov s typmi n a p

Štruktúra atómových jadier
Jadro je centrálna časť atómu, v ktorej je takmer celá hmotnosť atómu a jeho kladný náboj. Veľkosť atómu je jednotka angstromov (1A=10-10m) a veľkosť jadra je ~ 10

Hromadný defekt a jadrová väzbová energia
Pri vzniku jadra jeho hmotnosť klesá: hmotnosť jadra M je menšia ako súčet hmotností jeho nukleónov o Dm - porucha v hmotnosti jadra: Dm=Zmp

Jadrové sily a ich vlastnosti
Jadro obsahuje okrem neutrónov kladne nabité protóny a tie by sa mali navzájom odpudzovať, t.j. jadro atómu by sa malo zrútiť, ale to sa nestane. Ukazuje sa, že pri malom

Rádioaktivita
Rádioaktivita je spontánna zmena v zložení jadra, vyskytujúca sa v čase výrazne dlhšom ako je charakteristický jadrový čas (10-22 s). Zhodli sme sa na predpoklade, že zmena

Zákon rádioaktívneho rozpadu
Rádioaktívny rozpad je štatistický jav, takže všetky predpovede sú pravdepodobnostnej povahy. Spontánny rozpad veľkého počtu atómových jadier sa riadi zákonom rádioaktívneho rozpadu

Jadrové reakcie
Jadrové reakcie sú procesy transformácie atómové jadrá, spôsobené ich vzájomnou interakciou alebo s elementárnymi časticami. Spravidla v jadrové reakcie sú zapojené dve jadrá

Elementárne častice a moderný fyzikálny obraz sveta
Pri predstavovaní konceptu elementárne častice spočiatku sa predpokladalo, že existujú primárne, potom nedeliteľné častice, z ktorého je vyrobená všetka hmota. Taký až do začiatku 20. storočia od r

Vzájomná konvertibilita častíc
Charakteristická vlastnosť elementárnych častíc je ich schopnosť vzájomné premeny. Celkovo bolo objavených viac ako 350 elementárnych častíc spolu s antičasticami a ich počet stále rastie. Viac

Antičastice
V mikrokozme každá častica zodpovedá antičastici. Napríklad prvá antičastica - pozitrón (antielektrón) bola objavená v roku 1935, jej náboj je +e. Vo vákuu je pozitrón rovnako

Fázy- sú to rôzne homogénne časti fyzikálnych a chemických systémov. Látka je homogénna, ak sú všetky parametre skupenstva látky rovnaké vo všetkých jej elementárnych objemoch, ktorých rozmery sú veľké v porovnaní s medziatómovými stavmi. Zmesi rôznych plynov tvoria vždy jednu fázu, ak sú v celom objeme v rovnakých koncentráciách. Tá istá látka môže byť v závislosti od vonkajších podmienok v jednom z troch stavov agregácie – kvapalná, tuhá alebo plynná. Fázy sú stabilné stavy určitého stavu agregácie. Pojem fázy je širší ako pojem stavu agregácie.

V závislosti od vonkajších podmienok môže byť systém v rovnováhe buď v jednej fáze, alebo vo viacerých fázach naraz. Ich rovnovážna existencia sa nazýva fázová rovnováha.

Odparovanie A kondenzácia -často pozorované fázové prechody vody v okolitá príroda. Pri premene vody na paru dochádza najskôr k odparovaniu - prechodu povrchovej vrstvy kvapaliny na paru, zatiaľ čo do pary prechádzajú iba najrýchlejšie molekuly: musia prekonať príťažlivosť okolitých molekúl, preto ich priemerná kinetická energia a podľa toho aj teplota poklesu kvapaliny. Opačný proces sa pozoruje aj v každodennom živote - kondenzácia. Oba tieto procesy závisia od vonkajších podmienok. V niektorých prípadoch sa medzi nimi vytvorí dynamická rovnováha, keď sa počet molekúl opúšťajúcich kvapalinu rovná počtu molekúl, ktoré sa do nej vracajú. Molekuly v kvapaline sú navzájom spojené príťažlivými silami, ktoré ich udržujú vo vnútri kvapaliny. Ak sa molekuly s rýchlosťami, ktoré presahujú priemer, nachádzajú blízko povrchu, môžu ho opustiť. Potom priemerná rýchlosť zostávajúce molekuly sa znížia a teplota kvapaliny sa zníži. Aby sa odparilo pri konštantnej teplote, musíte kvapaline odovzdať určité množstvo tepla: Q= rt, kde r je merné skupenské teplo vyparovania, ktoré s rastúcou teplotou klesá. Pri izbovej teplote je pre jednu molekulu vody výparné teplo 10 -20 J, zatiaľ čo priemerná energia tepelný pohyb sa rovná 6,06 10 -21 J. To znamená, že sa premenia na paru

molekuly s energiou, ktorá je 10-krát väčšia ako energia tepelného pohybu. Pri prechode cez povrch kvapaliny sa potenciálna energia rýchlej molekuly zvyšuje a kinetická energia klesá. Preto sú priemerné kinetické energie molekúl pary a kvapaliny pri tepelná rovnováha sú si rovné.

Nasýtená para - je to para v dynamickej rovnováhe, zodpovedajúcej danej teplote, s jej kvapalinou. Skúsenosti ukazujú, že nedodržiava Boyleov-Marriottov zákon, pretože jeho tlak nezávisí od objemu. Tlak nasýtených pár je najvyšší tlak, ktorý môže mať para pri danej teplote. Procesy vyparovania a kondenzácie vody určujú zložité interakcie medzi atmosférou a hydrosférou, ktoré sú dôležité pre vznik počasia a klímy. Medzi atmosférou a hydrosférou prebieha nepretržitá výmena hmoty (cyklus vody) a energie.

Štúdie ukázali, že z povrchu Svetového oceánu, ktorý tvorí 94 % zemskej hydrosféry, sa denne vyparí asi 7 000 km 3 vody a približne rovnaké množstvo spadne vo forme zrážok. Vodná para unášaná konvekčným pohybom vzduchu stúpa nahor a vstupuje do studených vrstiev troposféry. Keď para stúpa, stáva sa stále viac nasýtenou, potom kondenzuje a vytvára dažďové kvapky. Pri procese kondenzácie pary v troposfére sa denne uvoľní asi 1,6-10 22 J tepla, čo je desaťtisíckrát viac ako energia vygenerovaná ľudstvom za rovnaký čas.

Vriaci- proces premeny kvapaliny na paru v dôsledku plávania bublín naplnených parou. K varu dochádza v celom objeme. Prasknutie bublín na povrchu vriacej kvapaliny naznačuje, že tlak pár v nich prevyšuje tlak nad povrchom kvapaliny. Pri teplote 100 °C tlaku nasýtené pary rovný tlaku vzduchu nad povrchom kvapaliny (takto bol zvolený tento bod na stupnici). Vo výške 5 km je tlak vzduchu polovičný a voda tam vrie pri 82 °C a na hranici troposféry (17 km) - približne 65 °C. Preto bod varu kvapaliny zodpovedá teplote, pri ktorej sa tlak jej nasýtenej pary rovná vonkajšiemu tlaku. Slabé gravitačné pole Mesiaca (zrýchlenie voľný pád na svojom povrchu je len 1,7 m/s 2) nedokáže udržať atmosféru a pri absencii atmosférického tlaku sa kvapalina okamžite vyvarí, takže mesačné „moria“ sú bez vody a tvoria ich stuhnutá láva. Z rovnakého dôvodu sú bezvodé aj marťanské „kanály“.

Látka môže byť v rovnováhe a v rôznych fázach. Keď je teda plyn skvapalnený v stave fázovej rovnováhy, objem môže byť akýkoľvek a teplota prechodu súvisí s tlakom nasýtených pár. Krivku fázovej rovnováhy možno získať projekciou do roviny (p, T) oblasti prechodu do kvapalného stavu. Analyticky sa z roztoku určí rovnovážna krivka dvoch fáz Diferenciálnej rovnice Clausius-Clapeyron. Podobne možno získať krivky topenia a sublimácie, ktoré sa spájajú v jednom bode v rovine (R, D), v trojitom bode (pozri obr. 7.1), kde pri určité proporcie sú si rovní

zavážte všetky tri fázy. Trojitý bod voda zodpovedá tlaku 569,24 Pa a teplote -0,0075 °C; oxid uhličitý - 5,18 10 5 Pa, respektíve 56,6 °C. Preto pri atmosférickom tlaku R, rovný 101,3 kPa, oxid uhličitý môže byť v tuhom resp plynné skupenstvo. Pri kritickej teplote fyzikálne vlastnosti kvapaliny a pary sa stávajú identickými. Pri vyšších teplotách kritická látka môže byť iba v plynnom stave. Na vodu - T= 374,2 °C, R= 22,12 MPa; pre chlór - 144 °C a 7,71 MPa.

Prechodové teploty sú teploty, pri ktorých dochádza k prechodom z jednej fázy do druhej. Závisia od tlaku, aj keď v rôznej miere: bod topenia je slabší, teploty odparovania a sublimácie sú silnejšie. Pri normálnom a konštantnom tlaku dochádza pri určitej teplote k prechodu a tu dochádza k bodu topenia, varu a sublimácie (alebo sublimácie).

Prechod látky z tuhého skupenstva priamo do plynného skupenstva možno pozorovať napríklad v lastúrach kométové chvosty. Keď je kométa ďaleko od Slnka, takmer všetka jej hmota je sústredená v jej jadre, ktoré meria 10-12 km. Jadro je obklopené malým obalom plynu - to je hlava kométy. Pri približovaní sa k Slnku sa jadro a obal kométy začínajú zahrievať, zvyšuje sa pravdepodobnosť sublimácie a klesá desublimácia (obrátený proces). Plyny unikajúce z jadra kométy nesú pevné častice, hlava kométy sa zväčšuje a stáva sa z nej plynno-prach. Tlak v okolí kometárneho jadra je veľmi nízky, preto sa kvapalná fáza neobjavuje. Spolu s hlavou vyrastá aj chvost kométy, ktorý siaha od Slnka. V niektorých kométach dosahuje v perihéliu stovky miliónov kilometrov, ale hustoty v kometárnej hmote sú zanedbateľné. Pri každom priblížení sa k Slnku kométy strácajú väčšinu svojej hmoty, v jadre sublimuje stále viac prchavých látok a postupne sa rozpadá na telesá meteoroidov, ktoré tvoria meteorické roje. Viac ako 5 miliárd rokov existencie slnečná sústava Mnoho komét takto ukončilo svoju existenciu.

Na jar 1986 automat Sovietske stanice"Vega-1" a "Vega-2", ktoré prešli vo vzdialenosti 9000 a 8200 km od nej a stanica NASA Giotto - vo vzdialenosti iba 600 km od jadra kométy. Jadro malo rozmery 14 x 7,5 km, tmavú farbu a teplotu asi 400 K. Keď vesmírne stanice prešiel cez hlavu kométy, pričom sublimoval asi 40 000 kg ľadovej látky za 1 s.

Neskorá jeseň, keď po vlhkom počasí dôjde k prudkému chladu, môžete vidieť na konároch stromov a na drôtoch

Frost sú desublimované ľadové kryštály. Podobný jav sa využíva pri skladovaní zmrzliny, keď sa oxid uhličitý ochladzuje, pretože molekuly, ktoré sa menia na paru, odvádzajú energiu. Na Marse sa javy sublimácie a desublimácie oxidu uhličitého v polárne čiapky zohrávajú rovnakú úlohu ako vyparovanie - kondenzácia v atmosfére a hydrosfére Zeme.

Tepelná kapacita má tendenciu k nule pri ultranízkych teplotách, ako zistil Nernst. Odtiaľto Planck ukázal, že blízko absolútna nula všetky procesy prebiehajú bez zmeny entropie. Einsteinova teória tepelnej kapacity pevných látok pri nízkych teplotách umožnila sformulovať Nernstov výsledok ako tretí termodynamický zákon. Nezvyčajné vlastnosti látok pozorované pri nízkych teplotách – supratekutosť a supravodivosť – boli vysvetlené v r moderná teória ako makroskopické kvantové efekty.

Fázové prechody existujú v niekoľkých typoch. Počas fázového prechodu sa teplota nemení, ale mení sa objem systému.

Fázové prechody prvého rádu zmeny agregovaných stavov látky sa nazývajú, ak: teplota je konštantná počas celého prechodu; objem systému sa mení; mení sa entropia systému. Aby k takémuto fázovému prechodu došlo, je potrebné odovzdať určité množstvo tepla danej hmote látky, zodpovedajúce latentnému teplu premeny.

V skutočnosti je pri prechode z kondenzovanejšej fázy na fázu s nižšou hustotou potrebné odovzdať určité množstvo energie vo forme tepla, ktoré pôjde do deštrukcie. kryštálová mriežka(pri tavení) alebo vzájomné odstraňovanie molekúl kvapaliny (pri odparovaní). Počas premeny sa latentné teplo vynakladá na prekonávanie adhéznych síl, intenzita tepelného pohybu sa nemení a v dôsledku toho zostáva teplota konštantná. Pri takomto prechode sa zvyšuje stupeň neusporiadanosti, a teda aj entropie. Ak proces ide opačným smerom, potom sa uvoľní latentné teplo.

Fázové prechody druhého rádu sú spojené so zmenou symetrie systému: nad bodom prechodu má systém spravidla vyššiu symetriu, ako ukázal L. D. Landau v roku 1937. Napríklad v magnete sú spinové momenty nad bodom prechodu náhodne orientované a súčasné otáčanie všetkých spinov okolo rovnakej osi o rovnaký uhol nemení vlastnosti systému. Pod bodom prechodu majú chrbty určitú preferenčnú orientáciu a ich súčasné otáčanie mení smer magnetický moment systémov. Landau zaviedol koeficient usporiadania a termodynamický potenciál v bode prechodu rozšíril na mocniny tohto koeficientu, na základe čoho zostrojil klasifikáciu všetkých možné typy prechod

Dov, ako aj teória javov supratekutosti a supravodivosti. Na tomto základe Landau a Lifshitz uvažovali o mnohých dôležité úlohy- prechod feroelektrického do paraelektrického, feromagnetického na paramagnetické, absorpcia zvuku v mieste prechodu, prechod kovov a zliatin do supravodivého stavu a pod.

Výpočet termodynamických vlastností systému na základe štatistickej mechaniky zahŕňa výber konkrétneho modelu systému a ako komplexnejší systém, tým jednoduchší model by mal byť. E. Ising navrhol model feromagnetika (1925) a vyriešil problém jednorozmerného reťazca s prihliadnutím na interakciu s najbližší susedia pre akékoľvek polia a teploty. O matematický popis Pre takéto systémy častíc s intenzívnou interakciou sa volí zjednodušený model, keď dochádza len k interakcii párového typu (takýto dvojrozmerný model sa nazýva Isingova mriežka). Fázové prechody však nebolo možné vždy vypočítať, pravdepodobne kvôli niektorým nevysvetleným javom spoločným pre systémy mnohých častíc a na povahe samotných častíc (kvapalné častice alebo magnety) nezáleží. L. Onsager podal presné riešenie dvojrozmerného Isingovho modelu (1944). Dipóly umiestnil na mriežkové uzly, ktoré môžu byť orientované iba dvoma spôsobmi a každý takýto dipól môže interagovať iba so svojím susedom. Ukázalo sa, že v bode prechodu tepelná kapacita ide podľa logaritmického zákona do nekonečna, symetricky na oboch stranách bodu prechodu. Neskôr sa ukázalo, že tento záver je veľmi dôležitý pre všetky fázové prechody druhého rádu. Onsagerova práca ukázala, že metóda štatistickej mechaniky umožňuje získať nové výsledky pre fázové transformácie.

Fázové prechody druhého, tretieho atď. druhy sú spojené s poradím tých derivátov termodynamického potenciálu Ф, ktoré zažívajú konečné zmeny v bode prechodu. Táto klasifikácia fázových premien je spojená s prácou teoretického fyzika P. Ehrenfesta. V prípade fázového prechodu druhého rádu zažívajú deriváty druhého rádu skoky v bode prechodu: tepelná kapacita pri konštantný tlak Cp =,stlačiteľnosť, koeficient

ent tepelná rozťažnosť, keďže za-

deriváty zostávajú spojité. To znamená žiadne uvoľnenie (absorpciu) tepla a žiadnu zmenu špecifického objemu.

Kvantová teória polia sa začali používať na výpočty časticových systémov až v 70. rokoch. XX storočia Systém bol považovaný za mriežku s premenlivým rozstupom, čo umožnilo zmeniť presnosť výpočtov a priblížiť sa k popisu reálneho systému a použiť počítač. Americký teoretický fyzik K. Wilson pomocou nová technika výpočty, dostali kvalitatívny skok v chápaní fázových prechodov druhého rádu spojených s reštrukturalizáciou symetrie systému. V skutočnosti spojil kvantovú mechaniku so štatistickou mechanikou a jeho práca dostala zásadný význam

mentálny význam. Sú použiteľné v spaľovacích procesoch, v elektronike a v popise kozmické javy A jadrové interakcie. Wilson študoval širokú triedu kritických javov a vytvoril všeobecná teória fázové prechody druhého rádu.

Úvod.

Fázy sa nazývajú homogénne rôzne časti fyzikálnych a chemických systémov. Látka je homogénna, ak sú všetky parametre skupenstva látky rovnaké vo všetkých jej objemoch, ktorých rozmery sú veľké v porovnaní s medziatómovými stavmi. Zmesi rôznych plynov tvoria vždy jednu fázu, ak sú v celom objeme v rovnakých koncentráciách.

Tá istá látka môže byť v závislosti od vonkajších podmienok v jednom z troch stavov agregácie – kvapalná, tuhá alebo plynná. V závislosti od vonkajších podmienok môže byť v jednej fáze, alebo vo viacerých fázach naraz. V prírode okolo nás obzvlášť často pozorujeme fázové prechody vody. Napríklad: vyparovanie, kondenzácia. Existujú podmienky tlaku a teploty, za ktorých je látka v rôznych fázach v rovnováhe. Napríklad, keď je plyn skvapalnený v stave fázovej rovnováhy, objem môže byť akýkoľvek a teplota prechodu súvisí s tlakom nasýtených pár. Teploty, pri ktorých dochádza k prechodom z jednej fázy do druhej, sa nazývajú prechodové teploty. Závisia od tlaku, hoci v rôznej miere: bod topenia je slabší, teplota vyparovania a sublimácie je silnejšia. Pri normálnom a konštantnom tlaku dochádza pri určitej teplote k prechodu a tu dochádza k bodom topenia, varu a sublimácie (alebo sublimácie). Sublimácia je prechod látky z pevného do plynného skupenstva a možno ju pozorovať napríklad v obaloch chvostov komét. Keď je kométa ďaleko od Slnka, takmer všetka jej hmota je sústredená v jej jadre, ktoré meria 10-12 kilometrov. Jadro obklopené malou škrupinou plynu je takzvaná hlava kométy. Pri približovaní sa k Slnku sa jadro a obaly kométy začínajú zahrievať, zvyšuje sa pravdepodobnosť sublimácie a klesá desublimácia. Plyny unikajúce z jadra kométy nesú pevné častice, hlava kométy sa zväčšuje a stáva sa z nej plynno-prach.

Fázové prechody prvého a druhého rádu.

Fázové prechody existujú v niekoľkých typoch. Zmeny v agregovaných stavoch látky sa nazývajú fázové prechody prvého rádu, ak:

1) Teplota je konštantná počas celého prechodu.

2) Zmení sa hlasitosť systému.

3) Entropia systému sa mení.

Aby k takémuto fázovému prechodu došlo, je potrebné odovzdať určité množstvo tepla danej hmote látky, zodpovedajúce latentnému teplu premeny. V skutočnosti je pri prechode kondenzovanej fázy do fázy s nižšou hustotou potrebné odovzdať určité množstvo energie vo forme tepla, ktoré sa použije na zničenie kryštálovej mriežky (pri tavení) alebo na odstránenie molekuly kvapalín od seba (počas odparovania). Počas premeny bude latentné teplo transformovať adhézne sily, intenzita tepelného pohybu sa nezmení a v dôsledku toho zostane teplota konštantná. Pri takomto prechode sa zvyšuje stupeň neusporiadanosti, a teda aj entropie. Ak proces ide opačným smerom, potom sa uvoľní latentné teplo. Medzi fázové prechody prvého rádu patria: premena tuhej látky na kvapalinu (topenie) a spätný proces (kryštalizácia), kvapaliny na paru (vyparovanie, var). Jedna kryštálová modifikácia na druhú (polymorfné premeny). Medzi fázové prechody druhého druhu patria: prechod normálneho vodiča do supravodivého stavu, hélia-1 do supratekutého hélia-2, feromagnetika do paramagnetického stavu. Kovy ako železo, kobalt, nikel a gadolínium vynikajú svojou schopnosťou silne sa zmagnetizovať a zostať zmagnetizované po dlhú dobu. Nazývajú sa feromagnety. Väčšina kovov (alkalické a kovy alkalických zemín a významná časť prechodných kovov) sú slabo magnetizované a neudržujú si tento stav vonku magnetické pole- sú paramagnetické. Fázové prechody druhého, tretieho a tak ďalej sú spojené s poradím tých derivátov termodynamického potenciálu φ, ktoré zažívajú konečné merania v bode prechodu. Táto klasifikácia fázových transformácií je spojená s prácou teoretického fyzika Paula Ernest (1880 -1933). V prípade fázového prechodu druhého rádu teda deriváty druhého rádu zažívajú skoky v bode prechodu: tepelná kapacita pri konštantnom tlaku Cp = -T(?ph 2 /?T 2), stlačiteľnosť = -(1/ V 0)(a 2 f/ ?p 2), koeficient tepelnej rozťažnosti b=(1/V 0)(a 2 f/?Tp), pričom prvé derivácie zostávajú spojité. To znamená žiadne uvoľnenie (absorpciu) tepla a žiadnu zmenu špecifického objemu (φ - termodynamický potenciál).

Štát fázová rovnováha charakterizované určitým vzťahom medzi teplotou fázovej premeny a tlakom. Numericky je táto závislosť pre fázové prechody daná Clapeyronovou-Clausiovou rovnicou: p/T=q/TV. Výskum pri nízkych teplotách je veľmi dôležitým odvetvím fyziky. Faktom je, že týmto spôsobom sa môžete zbaviť rušenia spojeného s chaotickým tepelným pohybom a študovať javy v „čistej“ forme. Toto je obzvlášť dôležité pri štúdiu kvantových zákonov. Zvyčajne v dôsledku chaotického tepelného pohybu dochádza k priemerovaniu fyzikálne množstvo Autor: Vysoké číslo jej rôzne významy a kvantové skoky sú „rozmazané“.

Nízke teploty ( kryogénne teploty), vo fyzike a kryogénnej technológii je rozsah teplôt pod 120°K (0°c=273°K); práca Carnota (pracovala na tepelnom stroji) a Clausiusa položila základ výskumu vlastností plynov a pár, príp. technická termodynamika. V roku 1850 si Clausius všimol, že nasýtená vodná para pri expanzii čiastočne kondenzuje a po stlačení prechádza do prehriateho stavu. Osobitný príspevok k rozvoju tohto vedeckej disciplíne prispel Renu. Vnútorný objem molekúl plynu pri izbovej teplote je približne jedna tisícina objemu, ktorý zaberá plyn. Okrem toho sa molekuly navzájom priťahujú vo väčších vzdialenostiach ako tie, z ktorých začína ich odpudzovanie.

Fázové prechody, prechody látky z jednej fázy do druhej, keď sa menia stavové parametre, ktoré charakterizujú termodynamickú rovnováhu. Hodnota teploty alebo akákoľvek iná fyzikálna veličina, pri ktorej dochádza k fázovým prechodom v jednozložkovej sústave, sa nazýva bod prechodu. Počas fázových prechodov prvého rádu sú vlastnosti vyjadrené prvými derivátmi G vzhľadom na tlak R, t-re T a ďalšie parametre sa menia náhle s neustálymi zmenami týchto parametrov. V tomto prípade sa prechodové teplo uvoľňuje alebo absorbuje. V jednozložkovej sústave teplota prechodu T 1 súvisiaci s krvným tlakom R 1 Clapeyron-Clausiusova rovnica dp 1 /dT 1 ==QIT 1 D V, Kde Q- prechodové teplo, D V- skok hlasitosti. Fázové prechody prvého druhu sú charakterizované hysteréznymi javmi (napríklad prehriatím alebo podchladením jednej z fáz), ktoré sú nevyhnutné pre vznik jadier inej fázy a výskyt fázových prechodov s rýchlosť terminálu. Pri absencii stabilných jadier je prehriata (podchladená) fáza v stave metastabilnej rovnováhy. Rovnaká fáza môže existovať (aj keď metastabilná) na oboch stranách bodu prechodu (kryštalické fázy sa však nemôžu prehriať nad teplotu alebo sublimáciu). V bode F. p. Gibbsova energia typu I G ako funkcia je spojitá a obe fázy môžu koexistovať tak dlho, ako je to žiaduce, to znamená, že dochádza k takzvanej separácii fáz (napríklad koexistencia oboch alebo a pre daný celkový objem systému).

Fázové prechody prvého rádu sú v prírode rozšírené javy. Patrí medzi ne plyn a kvapalná fáza, topenie a tuhnutie a (desublimácia) z plynnej fázy do pevnej fázy, väčšina polymorfných premien, niektoré štrukturálne prechody v pevné látky, napríklad vznik martenzitu v - . V čistých materiáloch spôsobuje dostatočne silné magnetické pole fázové prechody prvého rádu zo supravodivého do normálneho stavu.

Pri fázových prechodoch druhého druhu samotné množstvo G a prvé deriváty G Autor: T, s a ostatné parametre a stavy sa menia kontinuálne a druhé derivácie (resp. koeficient a tepelná rozťažnosť) s kontinuálnou zmenou parametrov sa menia náhle alebo sú singulárne. Teplo sa neuvoľňuje ani neabsorbuje, chýbajú hysterézne javy a metastabilné stavy. Medzi fázové prechody druhého druhu, pozorované pri zmene teploty, patria napríklad prechody z paramagnetického (neusporiadaného) stavu do magneticky usporiadaného stavu (fero- a ferimagnetického v Neelovom bode) s výskytom spontánnej magnetizácie (resp. v celej mriežke alebo v každej z magnetických podmriežok); prechod - s výskytom spontánneho. výskyt usporiadaného stavu v pevných látkach (v usporiadaní zliatin); smektický prechod tekuté kryštály do nematickej fázy sprevádzanej anomálnym zvýšením tepelnej kapacity, ako aj prechodmi medzi rôznymi smektickými fázami; l - prechod na 4 He, sprevádzaný objavením sa anomálne vysokej a superfluidity. Prechod do supravodivého stavu v neprítomnosti magnetického poľa.

Fázové prechody môžu byť spojené so zmenami tlaku. Mnohé látky pri nízkych tlakoch kryštalizujú do voľne zložených štruktúr. Napríklad štruktúra je séria vrstiev, ktoré sú od seba vzdialené. Pri dostatočne vysokých tlakoch takéto voľné štruktúry zodpovedajú veľké hodnoty Gibbsova energia a nižšie hodnoty zodpovedajú rovnovážnym tesne zbaleným fázam. Preto sa pri vysokých tlakoch grafit premieňa na diamant. Kvantové 4 He a 3 He zostávajú kvapalné pri normálnom tlaku až po najnižší tlak dosiahli teploty blízko absolútnej nuly. Dôvodom je toto slabá interakcia a veľká amplitúda ich „nulových oscilácií“ (vysoká pravdepodobnosť kvantové tunelovanie z jednej pevnej polohy do druhej). Zvýšenie však spôsobí stuhnutie tekutého hélia; napríklad 4 He pri 2,5 MPa tvorí hexagén, tesne zbalenú mriežku.

Všeobecnú interpretáciu fázových prechodov druhého rádu navrhol L.D. Landau v roku 1937. Nad bodom prechodu má systém spravidla vyššiu symetriu ako pod bodom prechodu, preto sa fázové prechody druhého rádu interpretujú ako bod. zmeny symetrie. Napríklad vo feromagnetiku nad Curieho bodom sú smery spinových magnetických momentov častíc rozložené chaoticky, takže súčasné otáčanie všetkých spinov okolo rovnakej osi o rovnaký uhol nemení fyzikálny stav. vlastnosti systému. Pod bodom prechodu majú spiny preferenčnú orientáciu a ich spoločná rotácia vo vyššie uvedenom zmysle mení smer magnetického momentu systému. V dvojzložkovej zliatine, ktorej atómy A a B sa nachádzajú na miestach jednoduchej kubickej kryštálovej mriežky, je neusporiadaný stav charakterizovaný chaotickou distribúciou A a B na miestach mriežky, takže posun mriežky o jedno obdobie nemení vlastnosti. Pod bodom prechodu sú atómy zliatiny usporiadané usporiadaným spôsobom: ...ABAB... Posunutie takejto mriežky o periódu vedie k nahradeniu všetkých A za B a naopak. Symetria mriežky sa tak znižuje, pretože podmriežky tvorené atómami A a B sa stávajú neekvivalentnými.

Symetria sa objaví a náhle zmizne; v tomto prípade môže byť porušenie symetrie charakterizované fyzickým. veličina, ktorá sa plynule mení pri fázových prechodoch druhého druhu a je tzv. parameter objednávky. Pre čisté kvapaliny je týmto parametrom hustota, pre roztoky - zloženie, pre fero- a ferimagnety - spontánna magnetizácia, pre feroelektrikum - spontánna elektrická polarizácia, pre zliatiny - zlomok usporiadaných pre smektické tekuté kryštály - amplitúda vlny hustoty atď. Vo všetkých vyššie uvedených prípadoch, pri teplotách nad bodom fázových prechodov druhého druhu, parameter poradia rovná nule, pod týmto bodom začína jeho anomálny rast vedúci k max. hodnota pri T = O.

Neprítomnosť prechodového tepla, skoky hustoty a koncentrácie, charakteristické pre fázové prechody druhého rádu, sú tiež pozorované v kritickom bode na krivkách fázových prechodov prvého rádu. Podobnosť sa ukazuje byť veľmi hlboká. Stav hmoty v blízkosti kritického bodu možno charakterizovať aj veličinou, ktorá zohráva úlohu parametra objednávky. Napríklad v prípade rovnováhy kvapalina-para je takýmto parametrom odchýlka hustoty látky od kritická hodnota: pri pohybe pozdĺž kritickej izochóry zo strany vysoké teploty plyn je homogénny a odchýlka hustoty od kritickej hodnoty je nulová a pod kritickou teplotou sa látka rozvrstvuje do dvoch fáz, v každej z nich odchýlka hustoty od kritickej hodnoty nie je nulová.

Pretože sa fázy v blízkosti bodu fázových prechodov druhého rádu navzájom málo líšia, sú možné fluktuácie parametra rádu, rovnako ako v blízkosti kritického bodu. Toto je spojené s kritickými javmi v bodoch fázových prechodov druhého rádu: anomálnym zvýšením magnetickej susceptibility feromagnetík a dielektrickej susceptibility feroelektrík (analógom je zvýšenie blízko kritického bodu prechodu kvapalina-para); prudké zvýšenie tepelnej kapacity; anomálny rozptyl svetelných vĺn v systéme kvapalina-para (takzvaná kritická opalizácia), röntgenových lúčov v pevných látkach, neutróny vo feromagnetikách. Výrazne sa menia aj dynamické procesy, s čím súvisí aj veľmi pomalá resorpcia vzniknutých výkyvov. Napríklad v blízkosti kritického bodu kvapalina-para sa zužuje čiara Rayleighovho rozptylu svetla v blízkosti Curieovho a Néelovho bodu vo feromagnetikách a antiferomagnetikách, spinová difúzia sa spomaľuje (šírenie nadmernej magnetizácie prebieha podľa zákonov difúzie). Priemerná veľkosť fluktuácií (korelačný polomer) sa zväčšuje s približovaním sa k fázovým prechodom druhého rádu a stáva sa v tomto bode anomálne veľkou. To znamená, že ktorákoľvek časť látky v bode prechodu „cíti“ zmeny, ktoré sa vyskytli v zostávajúcich častiach. Naopak, ďaleko od bodu prechodu druhého druhu sú fluktuácie štatisticky nezávislé a náhodné zmeny stavu v danej časti systému neovplyvňujú vlastnosti jeho ostatných častí.