Temat Kodifikuesi i Unifikuar i Provimit të Shtetit : ndryshimi i gjendjeve agregate të materies, shkrirja dhe kristalizimi, avullimi dhe kondensimi, zierja e lëngut, ndryshimi i energjisë në kalimet fazore.

Akulli, uji dhe avujt e ujit - shembuj të tre gjendjet e grumbullimit substancat: të ngurta, të lëngëta dhe të gazta. Në çfarë gjendje të saktë të grumbullimit është një substancë e caktuar varet nga temperatura e saj dhe të tjera kushtet e jashtme, në të cilën ndodhet.

Kur kushtet e jashtme ndryshojnë (për shembull, nëse energjia e brendshme e një trupi rritet ose zvogëlohet si rezultat i ngrohjes ose ftohjes), mund të ndodhin kalime fazore - ndryshime në gjendjet agregate të substancës së trupit. Ne do të jemi të interesuar për sa vijon tranzicionet fazore.

Shkrirja(i ngurtë-lëng) dhe kristalizimi(lëng-ngurtë).
Avullimi(avulli i lëngshëm) dhe kondensimi(lëng me avull).

Shkrirja dhe kristalizimi

Shumica e trupave të ngurtë janë kristalore, d.m.th. kanë rrjetë kristali- një rregullim i përcaktuar rreptësisht, i përsëritur periodikisht i grimcave të tij në hapësirë.

Grimcat (atomet ose molekulat) e një trupi të ngurtë kristalor i nënshtrohen dridhjeve termike pranë pozicioneve fikse të ekuilibrit - nyjet rrjetë kristali.

Për shembull, nyjet e rrjetës kristalore kripë tryezë- këto janë kulmet e qelizave kubike të "tre-dimensionale letër me kuadrate"(shih Fig. 1, në të cilën topat madhësi më të madhe përfaqësojnë atomet e klorit (imazhi nga en.wikipedia.org.)); Nëse e lini ujin nga tretësira e kripës të avullojë, kripa e mbetur do të jetë një grumbull kubesh të vegjël.

Oriz. 1. Rrjetë kristalore

Shkrirja quhet shndërrimi i një trupi të ngurtë kristalor në një lëng. Çdo trup mund të shkrihet - për ta bërë këtë ju duhet ta ngrohni atë pika e shkrirjes, e cila varet vetëm nga substanca e trupit, por jo nga forma apo madhësia e tij. Pika e shkrirjes së një substance të caktuar mund të përcaktohet nga tabelat.

Përkundrazi, nëse ftohni një lëng, herët a vonë ai do të kthehet në një gjendje të ngurtë. Shndërrimi i një lëngu në një lëndë të ngurtë kristalore quhet kristalizimi ose forcim. Kështu, shkrirja dhe kristalizimi janë procese reciproke të anasjellta.

Temperatura në të cilën lëngu kristalizohet quhet temperatura e kristalizimit. Rezulton se temperatura e kristalizimit është e barabartë me temperaturën e shkrirjes: në një temperaturë të caktuar, të dy proceset mund të ndodhin. Pra, kur akulli shkrihet, uji kristalizohet; Cfare saktesisht ndodh në secilin rast specifik - varet nga kushtet e jashtme (për shembull, nëse nxehtësia furnizohet me substancën ose hiqet prej saj).

Si ndodh shkrirja dhe kristalizimi? Cili është mekanizmi i tyre? Për të kuptuar thelbin e këtyre proceseve, le të shqyrtojmë grafikët e varësisë së temperaturës së trupit nga koha gjatë ngrohjes dhe ftohjes së tij - të ashtuquajturat grafikët e shkrirjes dhe kristalizimit.

Grafiku i shkrirjes

Le të fillojmë me grafikun e shkrirjes (Fig. 2). Lere brenda momenti i fillimit koha (pika në grafik), trupi është kristalor dhe ka një temperaturë të caktuar.

Oriz. 2. Grafiku i shkrirjes

Pastaj nxehtësia fillon t'i jepet trupit (të themi, trupi vendoset në një furrë shkrirjeje), dhe temperatura e trupit rritet në një vlerë - temperaturën e shkrirjes së substancës së caktuar. Ky është një pjesë e grafikut.

Në vend, trupi merr sasinë e nxehtësisë

ku është kapaciteti termik specifik i substancës së ngurtë dhe është masa e trupit.

Kur arrihet temperatura e shkrirjes (në pikën ) situata ndryshon në mënyrë cilësore. Përkundër faktit se nxehtësia vazhdon të furnizohet, temperatura e trupit mbetet e pandryshuar. Po ndodh në sit shkrirja trupi - kalimi i tij gradual nga i ngurtë në të lëngët. Brenda parcelës kemi një përzierje të ngurta dhe të lëngshme, dhe sa më afër pikës, aq më pak e ngurtë mbetet dhe aq më shumë lëng shfaqet. Më në fund, në një pikë nuk kishte mbetur asgjë nga trupi i ngurtë origjinal: ai u shndërrua plotësisht në një lëng.

Zona korrespondon me ngrohjen e mëtejshme të lëngut (ose, siç thonë ata, shkrihet). Në këtë zonë, lëngu thith një sasi të nxehtësisë

ku është kapaciteti termik specifik i lëngut.

Por ajo që ne jemi më të interesuar tani është zona e tranzicionit fazor. Pse nuk ndryshon temperatura e përzierjes në këtë zonë? Vapa po vjen!

Le të kthehemi në fillim të procesit të ngrohjes. Rritja e temperaturës së një trupi të ngurtë në një zonë është rezultat i rritjes së intensitetit të dridhjeve të grimcave të tij në nyjet e rrjetës kristalore: nxehtësia e furnizuar rritet. kinetike energjia e grimcave të trupit (në fakt, një pjesë e nxehtësisë së furnizuar shpenzohet për të bërë punë për të rritur distancat mesatare midis grimcave - siç e dimë, trupat zgjerohen kur nxehen. Megjithatë, kjo pjesë është aq e vogël sa mund të shpërfillet.) .

Rrjeta kristalore bëhet gjithnjë e më e lirshme dhe në temperaturën e shkrirjes diapazoni i dridhjeve arrin vlerën kufizuese në të cilën forcat tërheqëse midis grimcave janë ende në gjendje të sigurojnë rregullimin e tyre të renditur në lidhje me njëra-tjetrën. Trupi i ngurtë fillon të "plaset në qepje", dhe ngrohja e mëtejshme shkatërron rrjetën kristalore - kështu fillon shkrirja në zonë.

Nga ky moment, e gjithë nxehtësia e furnizuar përdoret për të kryer punën në thyerjen e lidhjeve që mbajnë grimcat në nyjet e rrjetës kristalore, d.m.th. të rritet potencial energjia e grimcave. Energjia kinetike e grimcave mbetet e njëjtë, kështu që temperatura e trupit nuk ndryshon. Në pikën struktura kristalore zhduket plotësisht, nuk ka mbetur asgjë për të shkatërruar, dhe nxehtësia e furnizuar përsëri shkon për të rritur energjinë kinetike të grimcave - për të ngrohur shkrirjen.

Nxehtësia specifike e shkrirjes

Pra, për të shndërruar një të ngurtë në një lëng, nuk mjafton ta çoni atë në pikën e shkrirjes. Është e nevojshme që shtesë (tashmë në temperaturën e shkrirjes) t'i sigurohet trupit një sasi e caktuar nxehtësie për shkatërrimin e plotë të grilës kristalore (d.m.th. për të kaluar nëpër seksion).

Kjo sasi nxehtësie shkon për të rritur energjinë potenciale të ndërveprimit të grimcave. Rrjedhimisht, energjia e brendshme e shkrirjes në një pikë është më e madhe se energjia e brendshme e lëndës së ngurtë në një pikë për një sasi.

Përvoja tregon se vlera është drejtpërdrejt proporcionale me peshën trupore:

Koeficienti i proporcionalitetit nuk varet nga forma dhe madhësia e trupit dhe është një karakteristikë e substancës. Quhet nxehtësia specifike e shkrirjes së një lënde. Nxehtësia specifike e shkrirjes së një substance të caktuar mund të gjendet në tabela.

Nxehtësia specifike e shkrirjes është numerikisht e barabartë me sasinë e nxehtësisë që kërkohet për të shndërruar një kilogram të një substance të caktuar kristalore të sjellë në pikën e shkrirjes në lëng.

Kështu që, ngrohje specifike shkrirja e akullit është e barabartë me kJ/kg, plumbi - kJ/kg. Ne shohim se kërkon pothuajse dy herë më shumë energji për të shkatërruar rrjetën e kristalit të akullit! Akulli është një substancë me nxehtësi specifike të lartë të shkrirjes dhe për këtë arsye nuk shkrihet menjëherë në pranverë (natyra mori masat e veta: nëse akulli do të kishte të njëjtën nxehtësi specifike të shkrirjes si plumbi, e gjithë masa e akullit dhe borës do të shkrihej me shkrirja e parë, duke përmbytur gjithçka përreth).

Grafiku i kristalizimit

Tani le të vazhdojmë të shqyrtojmë kristalizimi- një proces i kundërt me shkrirjen. Fillojmë nga pika e vizatimit të mëparshëm. Le të supozojmë se në pikën që ngrohja e shkrirjes është ndalur (soba është fikur dhe shkrirja është ekspozuar ndaj ajrit). Ndryshime të mëtejshme në temperaturën e shkrirjes tregohen në Fig. (3) .

Oriz. 3. Grafiku i kristalizimit

Lëngu ftohet (seksioni) derisa temperatura e tij të arrijë temperaturën e kristalizimit, e cila përkon me pikën e shkrirjes.

Nga ky moment, temperatura e shkrirjes pushon së ndryshuari, megjithëse nxehtësia ende del prej saj në mjedis. Po ndodh në sit kristalizimi shkrihet - kalimi i tij gradual në një gjendje të ngurtë. Brenda zonës kemi përsëri një përzierje të fazave të ngurta dhe të lëngëta, dhe sa më afër pikës, aq më e fortë bëhet dhe aq më pak lëng bëhet. Së fundi, në pikën nuk ka mbetur fare lëng - ajo është kristalizuar plotësisht.

Seksioni tjetër korrespondon me ftohjen e mëtejshme të trupit të ngurtë që rezulton nga kristalizimi.

Ne jemi përsëri të interesuar në seksionin e tranzicionit fazor: pse temperatura mbetet e pandryshuar pavarësisht nga humbja e nxehtësisë?

Le të kthehemi përsëri në temë. Pas ndërprerjes së furnizimit me nxehtësi, temperatura e shkrirjes zvogëlohet, pasi grimcat e tij gradualisht humbasin energjinë kinetike si rezultat i përplasjeve me molekulat mjedisore dhe emetimit të valëve elektromagnetike.

Kur temperatura e shkrirjes bie në temperaturën (pikën) e kristalizimit, grimcat e saj do të ngadalësohen aq shumë sa forcat e tërheqjes do të jenë në gjendje t'i "shpalosin" siç duhet dhe t'u japin atyre një orientim të ndërsjellë të përcaktuar rreptësisht në hapësirë. Kjo do të krijojë kushte për shfaqjen e një grilë kristal, dhe ajo në fakt do të fillojë të formohet për shkak të lëshimit të mëtejshëm të energjisë nga shkrirja në hapësirën përreth.

Në të njëjtën kohë, do të fillojë një proces kundër çlirimit të energjisë: kur grimcat zënë vendet e tyre në nyjet e rrjetës kristalore, ato energji potenciale zvogëlohet ndjeshëm, për shkak të së cilës energjia e tyre kinetike rritet - lëngu kristalizues është një burim nxehtësie (shpesh mund të shihni zogj të ulur pranë një vrime akulli. Ata ngrohen atje!). Nxehtësia e lëshuar gjatë kristalizimit kompenson saktësisht humbjen e nxehtësisë në mjedis, dhe për këtë arsye temperatura në zonë nuk ndryshon.

Në këtë pikë, shkrirja zhduket dhe së bashku me përfundimin e kristalizimit, zhduket edhe ky "gjenerator" i brendshëm i nxehtësisë. Për shkak të shpërndarjes së vazhdueshme të energjisë në mjedisi i jashtëm ulja e temperaturës do të rifillojë, por trupi i ngurtë i formuar (seksioni ) vetëm do të ftohet.

Siç tregon përvoja, gjatë kristalizimit në zonë, saktësisht e njëjta gjë sasia e nxehtësisë që përthithej gjatë shkrirjes në zonë.

Avullimi dhe kondensimi

Avullimiështë kalimi i një lëngu në gjendje të gaztë (në avull). Ekzistojnë dy mënyra të avullimit: avullimi dhe zierja.

Avullimi quhet avullim, i cili ndodh në çdo temperaturë me sipërfaqe e lirë lëngjeve. Siç e mbani mend nga fleta "Avulli i ngopur", shkaku i avullimit është largimi nga lëngu i molekulave më të shpejta që janë në gjendje të kapërcejnë forcat e tërheqjes ndërmolekulare. Këto molekula formojnë avull mbi sipërfaqen e lëngut.

Lëngje të ndryshme avullojnë nga me shpejtësi të ndryshme: si më shumë fuqi tërheqja e molekulave me njëra-tjetrën - të numër më i vogël molekulat për njësi të kohës do të jenë në gjendje t'i kapërcejnë ato dhe të fluturojnë jashtë, dhe aq më e ulët është shkalla e avullimit. Eteri, acetoni dhe alkooli avullohen shpejt (nganjëherë quhen lëngje të paqëndrueshme), uji avullon më ngadalë dhe vaji dhe merkuri avullojnë shumë më ngadalë se uji.

Shkalla e avullimit rritet me rritjen e temperaturës (në mot të nxehtë, rrobat do të thahen më shpejt), pasi energjia mesatare kinetike e molekulave të lëngshme rritet, dhe kështu rritet numri i molekulave të shpejta që mund të largohen nga kufijtë e saj.

Shkalla e avullimit varet nga sipërfaqja e lëngut: se sipërfaqe më të madhe, sa më shumë molekula të kenë akses në sipërfaqe dhe avullimi ndodh më shpejt (kjo është arsyeja pse kur varni rrobat, ato drejtohen me kujdes).

Njëkohësisht me avullimin, vërehet edhe procesi i kundërt: molekulat e avullit, duke bërë lëvizje të rastësishme mbi sipërfaqen e lëngut, pjesërisht kthehen përsëri në lëng. Shndërrimi i avullit në lëng quhet kondensimi.

Kondensimi ngadalëson avullimin e një lëngu. Pra, rrobat do të thahen më shpejt në ajër të thatë sesa në ajër të lagësht. Do të thahet më shpejt në erë: avulli merret nga era dhe avullimi ndodh më intensivisht

Në disa situata, shkalla e kondensimit mund të jetë shpejtësi të barabartë avullimi. Pastaj të dy proceset kompensojnë njëri-tjetrin dhe ndodh ekuilibri dinamik: lëngu nuk avullohet nga një shishe e mbyllur fort për vite me radhë, dhe në këtë rast ka avull i ngopur.

Vëzhgojmë vazhdimisht kondensimin e avullit të ujit në atmosferë në formën e reve, shiut dhe vesës që bie në mëngjes; Është avullimi dhe kondensimi që sigurojnë ciklin e ujit në natyrë, duke mbështetur jetën në Tokë.

Meqenëse avullimi është largimi i molekulave më të shpejta nga lëngu, gjatë procesit të avullimit energjia mesatare kinetike e molekulave të lëngshme zvogëlohet, d.m.th. lëngu ftohet. Jeni shumë të njohur me ndjenjën e freskisë dhe ndonjëherë edhe të ftohtit (veçanërisht në erë) kur dilni nga uji: uji, duke avulluar në të gjithë sipërfaqen e trupit, largon nxehtësinë, ndërsa era përshpejton procesin e avullimit ( Tani është e qartë pse ne fryjmë në çaj të nxehtë, meqë ra fjala, është edhe më mirë të tërhiqni ajrin në vetvete, pasi ajri i thatë i ambientit më pas del në sipërfaqen e çajit, dhe jo ajri i lagësht nga mushkëritë tona ;-)).

E njëjta ftohtësi mund të ndihet nëse kaloni mbi dorën tuaj një copë leshi pambuku të njomur në një tretës të paqëndrueshëm (të themi, aceton ose heqës manikyri). Në nxehtësinë dyzet gradë, falë avullimit të shtuar të lagështirës nëpër poret e trupit tonë, ne e ruajmë temperaturën në një nivel normal; Pa këtë mekanizëm termorregullues, në një nxehtësi të tillë ne thjesht do të vdisnim.

Përkundrazi, gjatë procesit të kondensimit, lëngu nxehet: kur molekulat e avullit kthehen në lëng, ato përshpejtohen nga forcat tërheqëse nga molekulat e lëngshme afër, si rezultat i së cilës rritet energjia mesatare kinetike e molekulave të lëngshme ( Krahasoni këtë fenomen me çlirimin e energjisë gjatë kristalizimit të një shkrirjeje!).

Duke zier

Duke zier- ky është avullimi që ndodh në të gjithë vëllimin lëngjeve.

Zierja është e mundur sepse një sasi e caktuar ajri shpërndahet gjithmonë në një lëng, i cili arrin atje si rezultat i difuzionit. Kur lëngu nxehet, ky ajër zgjerohet, flluskat e ajrit gradualisht rriten në madhësi dhe bëhen të dukshme sy të lirë(në një tigan me ujë depozitohen në fund dhe në mure). Brenda flluskave të ajrit ka avull të ngopur, presioni i të cilit, siç e mbani mend, rritet me shpejtësi me rritjen e temperaturës.

Sa më të mëdha të bëhen flluskat, aq më e madhe vepron mbi to forca Arkimede dhe në një moment të caktuar flluskat fillojnë të ndahen dhe të notojnë lart. Duke u ngritur lart, flluskat hyjnë në shtresa më pak të nxehta të lëngut; avulli në to kondensohet dhe flluskat tkurren përsëri. Rënia e flluskave shkakton zhurmën e njohur që i paraprin zierjes së kazanit. Më në fund, me kalimin e kohës, i gjithë lëngu nxehet në mënyrë të barabartë, flluskat arrijnë në sipërfaqe dhe shpërthejnë, duke hedhur ajrin dhe avullin - zhurma zëvendësohet nga gurgullima, lëngu vlon.

Kështu, flluskat shërbejnë si "përçues" të avullit nga brenda lëngut në sipërfaqen e tij. Gjatë zierjes, së bashku me avullimin normal, lëngu shndërrohet në avull gjatë gjithë vëllimit - avullimi në flluska ajri, i ndjekur nga lëshimi i avullit jashtë. Kjo është arsyeja pse lëngu i vluar avullon shumë shpejt: një kazan, nga i cili uji do të avullonte për shumë ditë, do të vlojë për gjysmë ore.

Ndryshe nga avullimi, i cili ndodh në çdo temperaturë, një lëng fillon të vlojë vetëm kur arrin pikë vlimi- saktësisht temperatura në të cilën flluskat e ajrit janë në gjendje të notojnë dhe të arrijnë në sipërfaqe. Në presionin e pikës së vlimit avull i ngopur bëhet e barabartë me presionin e jashtëm në lëng(veçanërisht, presioni atmosferik). Prandaj, sa më i madh të jetë presioni i jashtëm, aq më e lartë është temperatura në të cilën do të fillojë vlimi.

Në kushte normale presioni atmosferik(atm ose Pa) pika e vlimit të ujit është . Kjo është arsyeja pse presioni i avullit të ujit të ngopur në temperaturë është Pa. Ky fakt duhet të dihet për të zgjidhur problemet - shpesh konsiderohet i njohur si parazgjedhje.

Në majë të Elbrusit, presioni atmosferik është atm, dhe uji atje do të vlojë në një temperaturë prej . Dhe nën presion atm, uji do të fillojë të vlojë vetëm në .

Pika e vlimit (në presion normal atmosferik) është një vlerë e përcaktuar rreptësisht për një lëng të caktuar (pikat e vlimit të dhëna në tabelat e teksteve shkollore dhe librave referencë janë pikat e vlimit të lëngjeve kimikisht të pastra. Prania e papastërtive në një lëng mund të ndryshojë vlimin Pika Për shembull, uji i rubinetit përmban klor të tretur dhe disa kripëra, kështu që pika e tij e vlimit në presion normal atmosferik mund të ndryshojë pak nga ). Pra, alkooli vlon në , eteri - në , merkuri - në . Ju lutemi vini re: sa më i paqëndrueshëm të jetë një lëng, aq më e ulët është pika e tij e vlimit. Në tabelën e pikave të vlimit shohim gjithashtu se oksigjeni vlon në. Kjo do të thotë që në temperatura normale oksigjeni është gaz!

Ne e dimë se nëse kazani hiqet nga zjarri, zierja do të ndalet menjëherë - procesi i zierjes kërkon një furnizim të vazhdueshëm me nxehtësi. Në të njëjtën kohë, temperatura e ujit në kazan ndalon së ndryshuari pas zierjes, duke mbetur e njëjtë gjatë gjithë kohës. Ku shkon nxehtësia e furnizuar?

Situata është e ngjashme me procesin e shkrirjes: nxehtësia përdoret për të rritur energjinë potenciale të molekulave. NË në këtë rast- të kryejë punë për të hequr molekulat në distanca të tilla që forcat e tërheqjes nuk do të jenë në gjendje t'i mbajnë molekulat afër njëra-tjetrës dhe lëngu do të kthehet në gjendje të gaztë.

Grafiku i zierjes

Le të shqyrtojmë një paraqitje grafike të procesit të ngrohjes së një lëngu - të ashtuquajturat tabelë e vlimit(Fig. 4).

Oriz. 4. Grafiku i zierjes

Rajoni i paraprin fillimit të zierjes. Në zonë, lëngu vlon, masa e tij zvogëlohet. Në këtë pikë lëngu vlon plotësisht.

Për të kaluar seksionin, d.m.th. Në mënyrë që një lëng i sjellë në pikën e vlimit të shndërrohet plotësisht në avull, duhet t'i jepet një sasi e caktuar nxehtësie. Përvoja tregon se një sasi e caktuar nxehtësie është drejtpërdrejt proporcionale me masën e lëngut:

Faktori i proporcionalitetit quhet nxehtësia specifike e avullimit lëngje (në pikën e vlimit). Nxehtësia specifike e avullimit është numerikisht e barabartë me sasinë e nxehtësisë që duhet të furnizohet me 1 kg lëng të marrë në pikën e vlimit në mënyrë që të shndërrohet plotësisht në avull.

Pra, në nxehtësinë specifike të avullimit të ujit është e barabartë me kJ/kg. Është interesante ta krahasojmë atë me nxehtësinë specifike të shkrirjes së akullit (kJ/kg) - nxehtësia specifike e avullimit është pothuajse shtatë herë më e madhe! Kjo nuk është për t'u habitur: në fund të fundit, për të shkrirë akullin, ju vetëm duhet të shkatërroni rregullimin e rregulluar të molekulave të ujit në nyjet e rrjetës kristalore; në të njëjtën kohë, distancat midis molekulave mbeten afërsisht të njëjta. Por për ta kthyer ujin në avull, duhet të bëni diçka Punë e mrekullueshme duke thyer të gjitha lidhjet midis molekulave dhe duke i hequr molekulat në distanca të konsiderueshme nga njëra-tjetra.

Grafiku i kondensimit

Procesi i kondensimit të avullit dhe ftohja pasuese e lëngut duket në grafik në mënyrë simetrike me procesin e ngrohjes dhe zierjes. Këtu është ajo përkatëse grafiku i kondensimit për rastin e avullit të ujit njëqind gradë, që haset më shpesh në problema (Fig. 5).

Oriz. 5. Grafiku i kondensimit

Në pikën kemi avujt e ujit në . Ka kondensim në zonë; brenda kësaj zone ka një përzierje avulli dhe uji në . Në pikën nuk ka më avull, ka vetëm ujë në . Zona është ftohja e këtij uji.

Përvoja tregon se gjatë kondensimit të një avulli të një mase (d.m.th., kur kalon nëpër një seksion), lëshohet saktësisht e njëjta sasi nxehtësie që është shpenzuar për shndërrimin e një mase të lëngshme në avull në një temperaturë të caktuar.

Le të krahasojmë sasitë e mëposhtme të nxehtësisë për argëtim:

Që lirohet kur avulli i ujit kondensohet;
, e cila lirohet kur uji që rezulton 100 gradë ftohet në një temperaturë prej, të themi, .

J;
J.

Këto shifra tregojnë qartë se djegia me avull është shumë më e keqe se djegia me ujë të valë. Kur uji i vluar bie në kontakt me lëkurën, lëshohet "vetëm" (uji i vluar ftohet). Por në rast djegieje, avulli së pari do të lëshohet sipas një rendi të madhësisë sasi e madhe nxehtësia (avulli kondensohet), formohet ujë njëqind gradë, pas së cilës do të shtohet e njëjta vlerë kur ky ujë të ftohet.

Fazaështë një koleksion i pjesëve të një sistemi që janë identike në të gjitha vetitë fizike, kimike dhe përbërjen strukturore. Për shembull, ekzistojnë faza të ngurta, të lëngëta dhe të gazta (të quajtura gjendje grumbullimi).

Tranzicioni i fazës (transformimi i fazës), V në një kuptim të gjerë- kalimi i një substance nga një fazë në tjetrën kur ndryshojnë kushtet e jashtme ( T, R, fusha magnetike dhe elektrike, etj.); në kuptimin e ngushtë - një ndryshim i papritur në vetitë fizike me një ndryshim të vazhdueshëm në parametrat e jashtëm. Ne do të shqyrtojmë më tej tranzicionet fazore në kuptimin e ngushtë.

Ekzistojnë kalime të fazës së rendit të parë dhe të dytë. Tranzicioni i fazës së rendit të parë është një fenomen i përhapur në natyrë. Këto përfshijnë: avullimin dhe kondensimin, shkrirjen dhe ngurtësimin, sublimimin ose sublimimin (kalimi i një lënde nga gjendje kristalore drejtpërdrejt, pa shkrirë, në gaz, për shembull, akull i thatë) dhe kondensimi në fazën e ngurtë, etj. Tranzicionet fazore Tipi I shoqërohet me çlirimin ose thithjen e nxehtësisë (nxehtësia e tranzicionit fazor q), ndërsa dendësia, përqendrimi i përbërësve, vëllimi molar etj. ndryshojnë në mënyrë të papritur.

Një tranzicion i fazës së rendit të dytë nuk shoqërohet me lëshimin ose thithjen e nxehtësisë, dendësia ndryshon vazhdimisht, por, për shembull, kapaciteti i nxehtësisë molare; Përçueshmëria elektrike, viskoziteti, etj. Shembuj të tranzicionit të fazës së rendit të dytë përfshijnë tranzicionin substancë magnetike nga gjendja feromagnetike ( m>> 1) në paramagnetike ( m" 1) kur nxehet në një temperaturë të caktuar, e quajtur pika Curie; kalimi i disa metaleve dhe lidhjeve në temperatura të ulëta nga gjendje normale në superpërçues, etj.

Fundi i punës -

Kjo temë i përket seksionit:

Instrumentimi dhe shkenca kompjuterike

Ministria e Arsimit e Federatës Ruse.. Moskë akademi shtetërore.. inxhinieri instrumentesh dhe shkenca kompjuterike..

Nëse keni nevojë për materiale shtesë për këtë temë, ose nuk keni gjetur atë që po kërkoni, ju rekomandojmë të përdorni kërkimin në bazën e të dhënave tona të veprave:

Çfarë do të bëjmë me materialin e marrë:

Nëse ky material ishte i dobishëm për ju, mund ta ruani në faqen tuaj në rrjetet sociale:

Të gjitha temat në këtë seksion:

Kapaciteti i nxehtësisë
Nxehtësia specifike substancë - një vlerë e barabartë me sasinë e nxehtësisë që kërkohet për të ngrohur 1 kg substancë me 1 K:

Procesi izokorik
Për të V=konst. Tregohet diagrami i këtij procesi (izokore).

Procesi izobarik
Për të P=konst. Tregohet diagrami i këtij procesi (izobar).

Procesi izotermik
Për të T-konst. Për shembull, proceset e vlimit, kondensimit, shkrirjes dhe kristalizimit janë kimikisht substanca të pastra ndodhin kur temperaturë konstante, nëse presioni i jashtëm është konstant.

Procesi adiabatik
Ky është një proces në të cilin nuk ka shkëmbim nxehtësie () midis sistemit dhe mjedisi. K adiabatike

Proceset rrethore (cikle)
Procesi në të cilin një sistem, pasi ka kaluar nëpër një sërë gjendjesh, kthehet në gjendjen e tij origjinale quhet proces ose cikël rrethor. Në një diagram procesi, cikli përshkruhet si i mbyllur në mënyrë të shtrembër

Cikli Carnot
Në 1824 fizikan francez dhe inxhinieri N. Carnot (1796-1832) botoi veprën e vetme në të cilën ai analizoi teorikisht ciklin më ekonomik të kthyeshëm, të përbërë nga dy izoterma dhe

Entropia
4.10.1. Entropia në termodinamikë Gjatë studimit të PNT (), u vu re se dU është dyshemeja

Ligji i dytë i termodinamikës (BLT)
Duke shprehur ligji universal ruajtja dhe transformimi i energjisë, ligji i parë i termodinamikës (PLT) nuk na lejon të përcaktojmë drejtimin e proceseve. Në të vërtetë, procesi i transmetimit spontan

Forcat dhe energjia potenciale e ndërveprimeve ndërmolekulare
Në leksionet 1-2 kemi studiuar gazet ideale, molekulat e të cilave kanë një vëllim vetjak të papërfillshëm dhe nuk ndërveprojnë me njëra-tjetrën në distancë. Vetitë e gazeve reale në presione të larta Dhe

Ekuacioni i Van der Waals (VdW)
NË literaturë shkencore ka më shumë se 150 ekuacione të ndryshme të gjendjes gaz i vërtetë. Midis tyre nuk ka asnjë të vetme që të jetë vërtet e vërtetë dhe universale. Le të ndalemi në ekuilibër

Izotermat e Van der Waals-it
Për vlerat fikse të P dhe T, ekuacioni (2) është një ekuacion i shkallës së tretë në lidhje me vëllimin e gazit V dhe, për rrjedhojë, ai mund të ketë ose tre rrënjë reale (V

Diagramet e fazave. Pika e trefishtë
Faza të ndryshme të së njëjtës substancë mund të jenë në ekuilibër kur janë në kontakt me njëra-tjetrën. Një ekuilibër i tillë vërehet vetëm në një interval të kufizuar të temperaturës dhe për secilën vlerë të temperaturës

Qelizë kristalore. Llojet e lidhjeve ndërmjet grimcave të rrjetës
Tipari kryesor i kristaleve, i cili i dallon ata nga lëngjet dhe trupat e ngurtë amorfë, është periodiciteti i renditjes hapësinore të grimcave (atomeve, molekulave ose joneve) që përbëjnë kristalin.

Elementet e statistikës kuantike
Dualiteti i valëve dhe grimcave është një nga konceptet themelore fizika moderne. Ka shumë fusha në kristale që shfaqin të dyja këto aspekte - valë dhe trup

Fermionet dhe bozonet. Shpërndarja Fermi-Dirac dhe Bose-Einstein
Sipas teorisë moderne kuantike, të gjitha elementare dhe grimcat komplekse, si dhe kuazigrimcat ndahen në dy klasa - fermione dhe bozone. Fermionet përfshijnë elektronet, proto

Koncepti i degjenerimit të një sistemi grimcash
Një sistem grimcash quhet i degjeneruar nëse vetitë e tij janë për shkak të efektet kuantike ndryshojnë nga vetitë sistemet klasike. Le të gjejmë kriteret për degjenerimin e grimcave. Shpërndarjet Fermi-Dirac dhe Bose-Hey

Koncepti i teorisë kuantike të përçueshmërisë elektrike të metaleve
Sipas teorisë kuantike, një elektron në një metal nuk ka një trajektore të saktë, ai mund të përfaqësohet si një paketë valësh me një shpejtësi grupi të barabartë me shpejtësinë e elektronit. Teoria kuantike merr parasysh lëvizjen

Elementet e teorisë së brezit të kristaleve
Semestrin e kaluar e kemi konsideruar nivelet e energjisë elektron në një atom hidrogjeni [shih Shënime leksioni, pjesa III, formula (11.14)]. Aty u tregua se vlerat e energjisë që mund dhe

Ndarja e kristaleve në dielektrikë, metale dhe gjysmëpërçues
Të gjithë kristalet ndahen në dielektrikë, metale dhe gjysmëpërçues. konsiderata

Përçueshmëria e brendshme e gjysmëpërçuesve
Përçueshmëria elektrike e një gjysmëpërçuesi kimikisht të pastër (për shembull, Ge i pastër ose Si i pastër

Gjysmëpërçuesit e papastërtive
9.6.1. Papastërtia e donatorëve, gjysmëpërçuesit e tipit n Futja e papastërtive në një gjysmëpërçues ndikon shumë në vetitë e tij elektrike. Konsideroni, për shembull, çfarë ndodh nëse në një grilë

Kryqëzimi Pn
Në shumë fusha të elektronikës moderne, kontakti i dy gjysmëpërçuesve me tipet n dhe p luan një rol të rëndësishëm.

Struktura e bërthamave atomike
Bërthama është pjesa qendrore e atomit, në të cilën pothuajse e gjithë masa e atomit dhe e tij ngarkesë pozitive. Madhësia e një atomi është njësi angstrome (1A=10-10m), dhe madhësia e një bërthame është ~ 10

Defekti masiv dhe energjia lidhëse bërthamore
Kur formohet një bërthamë, masa e saj zvogëlohet: masa e bërthamës M është më e vogël se shuma e masave të nukleoneve përbërëse të saj me Dm - një defekt në masën e bërthamës: Dm=Zmp

Forcat bërthamore dhe vetitë e tyre
Përveç neutroneve, bërthama përmban protone të ngarkuar pozitivisht dhe ata duhet të zmbrapsin njëri-tjetrin, d.m.th. bërthama e atomit duhet të shembet, por kjo nuk ndodh. Rezulton se në të vogla

Radioaktiviteti
Radioaktiviteti është një ndryshim spontan në përbërjen e bërthamës, që ndodh gjatë një kohe dukshëm më të gjatë se koha karakteristike bërthamore (10-22 s). Ne ramë dakord të supozojmë se ndryshimi

Ligji i zbërthimit radioaktiv
Prishja radioaktiveështë një fenomen statistikor, kështu që të gjitha parashikimet janë natyra probabiliste. Prishja spontane e një numri të madh bërthamash atomike i bindet ligjit të zbërthimit radioaktiv

Reaksionet bërthamore
Reaksionet bërthamore janë proceset e transformimit bërthamat atomike, të shkaktuara nga ndërveprimi i tyre me njëra-tjetrën ose me grimcat elementare. Si rregull, në reaksionet bërthamore përfshihen dy bërthama

Grimcat elementare dhe fotografia moderne fizike e botës
Gjatë prezantimit të konceptit grimcat elementare fillimisht supozohej se kishte primare, pastaj grimca të pandashme, nga e cila është bërë e gjithë materia. E tillë deri në fillim të shekullit të 20-të nga

Ndërkonvertueshmëria e grimcave
Tipar karakteristik grimcat elementare është aftësia e tyre për të transformimet e ndërsjella. Në total, së bashku me antigrimcat janë zbuluar më shumë se 350 grimca elementare dhe numri i tyre vazhdon të rritet. Më shumë

Antigrimca
Në mikrokozmos, çdo grimcë korrespondon me një antigrimcë. Për shembull, antigrimca e parë - pozitroni (antielektroni) u zbulua në vitin 1935, ngarkesa e saj është +e. Në një vakum, një pozitron është po aq

Fazat- këto janë pjesë të ndryshme homogjene të sistemeve fizike dhe kimike. Një substancë është homogjene kur të gjithë parametrat e gjendjes së substancës janë të njëjta në të gjitha vëllimet e saj elementare, dimensionet e të cilave janë të mëdha në krahasim me gjendjet ndëratomike. Përzierjet e gazrave të ndryshëm formojnë gjithmonë një fazë nëse janë në përqendrime të barabarta në të gjithë vëllimin. E njëjta substancë, në varësi të kushteve të jashtme, mund të jetë në një nga tre gjendjet e grumbullimit - të lëngët, të ngurtë ose të gaztë. Fazat janë gjendje të qëndrueshme të një gjendje të caktuar grumbullimi. Koncepti i fazës është më i gjerë se koncepti i gjendjes së grumbullimit.

Në varësi të kushteve të jashtme, sistemi mund të jetë në ekuilibër ose në një fazë ose në disa faza njëherësh. Ekzistenca e tyre ekuilibër quhet ekuilibri fazor.

Avullimi Dhe kondensimi - tranzicionet fazore të vërejtura shpesh të ujit në natyrën përreth. Kur uji shndërrohet në avull, fillimisht ndodh avullimi - kalimi i shtresës sipërfaqësore të lëngut në avull, ndërsa vetëm molekulat më të shpejta kalojnë në avull: ato duhet të kapërcejnë tërheqjen e molekulave përreth, pra energjinë mesatare kinetike të tyre dhe, në përputhje me rrethanat, temperaturën. e uljes së lëngut. Procesi i kundërt vërehet edhe në jetën e përditshme - kondensimi. Të dyja këto procese varen nga kushtet e jashtme. Në disa raste, midis tyre vendoset një ekuilibër dinamik, kur numri i molekulave që largohen nga lëngu bëhet i barabartë me numrin e molekulave që kthehen në të. Molekulat në një lëng janë të lidhura së bashku nga forcat tërheqëse që i mbajnë ato brenda lëngut. Nëse molekulat me shpejtësi që tejkalojnë mesataren janë afër sipërfaqes, ato mund ta lënë atë. Pastaj Shpejtësia mesatare molekulat e mbetura do të ulen dhe temperatura e lëngut do të ulet. Për të avulluar në një temperaturë konstante, duhet t'i jepni një sasi të caktuar nxehtësie lëngut: P= rt, ku r është nxehtësia specifike e avullimit, e cila zvogëlohet me rritjen e temperaturës. Në temperaturën e dhomës, për një molekulë uji, nxehtësia e avullimit është 10 -20 J, ndërsa energji mesatare lëvizja termike është e barabartë me 6.06 10 -21 J. Kjo do të thotë se ato kthehen në avull

molekulat me energji që është 10 herë më e madhe se energjia e lëvizjes termike. Kur kalon nëpër sipërfaqen e një lëngu, energjia potenciale e një molekule të shpejtë rritet dhe energjia kinetike zvogëlohet. Prandaj, energjitë mesatare kinetike të avullit dhe molekulave të lëngshme në ekuilibri termik janë të barabartë.

Avulli i ngopur -është avull në ekuilibër dinamik, që korrespondon me një temperaturë të caktuar, me lëngun e tij. Përvoja tregon se ai nuk i bindet ligjit Boyle-Marriott, pasi presioni i tij nuk varet nga vëllimi. Presioni i avullit të ngopur është presioni më i lartë që mund të ketë avulli në një temperaturë të caktuar. Proceset e avullimit dhe kondensimit të ujit përcaktojnë ndërveprimet komplekse midis atmosferës dhe hidrosferës, të cilat janë të rëndësishme për formimin e motit dhe klimës. Ekziston një shkëmbim i vazhdueshëm i materies (ciklit të ujit) dhe energjisë midis atmosferës dhe hidrosferës.

Studimet kanë treguar se nga sipërfaqja e Oqeanit Botëror, që përbën 94% të hidrosferës së tokës, rreth 7000 km 3 ujë avullohet në ditë dhe afërsisht e njëjta sasi bie në formën e reshjeve. Avulli i ujit, i marrë nga lëvizja e konvekcionit të ajrit, ngrihet dhe hyn në shtresat e ftohta të troposferës. Ndërsa avulli rritet, ai bëhet gjithnjë e më i ngopur, pastaj kondensohet për të formuar pika shiu. Gjatë procesit të kondensimit të avullit në troposferë, rreth 1,6-10 22 J nxehtësi lirohet në ditë, që është dhjetëra mijëra herë më e madhe se energjia e gjeneruar nga njerëzimi në të njëjtën kohë.

Duke zier- procesi i kalimit të lëngut në avull si rezultat i lundrimit të flluskave të mbushura me avull. Zierja ndodh në të gjithë vëllimin. Thyerja e flluskave në sipërfaqen e një lëngu të vluar tregon se presioni i avullit në to tejkalon presionin mbi sipërfaqen e lëngut. Në një temperaturë prej 100 °C presion avujt e ngopur e barabartë me presionin e ajrit mbi sipërfaqen e lëngut (kështu u zgjodh kjo pikë në shkallë). Në një lartësi prej 5 km, presioni i ajrit është gjysma e më shumë dhe uji vlon atje në 82 °C, dhe në kufirin e troposferës (17 km) - në afërsisht 65 °C. Prandaj, pika e vlimit të një lëngu korrespondon me temperaturën në të cilën presioni i avullit të tij të ngopur është i barabartë me presionin e jashtëm. Fusha e dobët gravitacionale e Hënës (nxitimi renie e lire në sipërfaqen e tij është vetëm 1.7 m/s 2) nuk është në gjendje të mbajë atmosferën, dhe në mungesë të presionit atmosferik lëngu vlon menjëherë, kështu që "detet" hënore janë pa ujë dhe formohen nga llava e ngurtësuar. Për të njëjtën arsye, "kanalet" marsiane janë gjithashtu pa ujë.

Një substancë mund të jetë në ekuilibër dhe në faza të ndryshme. Kështu, kur një gaz është i lëngëzuar në një gjendje të ekuilibrit fazor, vëllimi mund të jetë çdo gjë, dhe temperatura e tranzicionit lidhet me presionin e avullit të ngopur. Kurba e ekuilibrit fazor mund të merret me projeksion në një plan (p, T) zonat e kalimit në gjendje të lëngët. Në mënyrë analitike, nga zgjidhja përcaktohet kurba e ekuilibrit të dy fazave ekuacioni diferencial Clausius-Clapeyron. Në mënyrë të ngjashme, mund të merren kthesa të shkrirjes dhe sublimimit që lidhen në një pikë të planit (R, D), në pikën e trefishtë (shih Fig. 7.1), ku në përmasa të caktuara janë të barabartë

peshë të tre fazat. Pika e trefishtë uji korrespondon me një presion prej 569,24 Pa dhe një temperaturë prej -0,0075 °C; dioksidi i karbonit - përkatësisht 5,18 10 5 Pa dhe 56,6 °C. Prandaj, në presionin atmosferik R, e barabartë me 101.3 kPa, dioksidi i karbonit mund të jetë i ngurtë ose gjendje e gaztë. Në temperaturë kritike vetitë fizike lëngjet dhe avulli bëhen identike. Në temperatura më të larta substancë kritike mund të jetë vetëm në gjendje të gaztë. Për ujë - T= 374.2 °C, R= 22,12 MPa; për klorin - përkatësisht 144 °C dhe 7.71 MPa.

Temperaturat e tranzicionit janë temperaturat në të cilat ndodhin kalimi nga një fazë në tjetrën. Ato varen nga presioni, megjithëse në shkallë të ndryshme: pika e shkrirjes është më e dobët, temperaturat e avullimit dhe sublimimit janë më të forta. Në presione normale dhe konstante, kalimi ndodh në një temperaturë të caktuar dhe këtu ndodhin pikat e shkrirjes, vlimit dhe sublimimit (ose sublimimit).

Kalimi i një substance nga një gjendje e ngurtë drejtpërdrejt në një gjendje të gaztë mund të vërehet, për shembull, në predha bishtat e kometës. Kur një kometë është larg Diellit, pothuajse e gjithë masa e saj është e përqendruar në bërthamën e saj, e cila është 10-12 km. Bërthama është e rrethuar nga një guaskë e vogël gazi - kjo është koka e kometës. Kur i afrohet Diellit, bërthama dhe guaska e kometës fillojnë të nxehen, probabiliteti i sublimimit rritet dhe desublimimi (procesi i kundërt) zvogëlohet. Gazrat që ikin nga bërthama e kometës bartin grimca të ngurta, koka e kometës rritet në vëllim dhe bëhet gaz-pluhur në përbërje. Presioni rreth bërthamës kometare është shumë i ulët, kështu që faza e lëngshme nuk shfaqet. Së bashku me kokën rritet edhe bishti i kometës, i cili shtrihet larg Diellit. Në disa kometa arrin qindra miliona kilometra në perihelion, por dendësia në lëndën kometare është e papërfillshme. Me çdo afrim drejt Diellit, kometat humbasin pjesën më të madhe të masës së tyre, gjithnjë e më shumë substanca të paqëndrueshme sublimohen në bërthamë dhe gradualisht shpërbëhet në meteoroidë që formojnë shi meteorësh. Mbi 5 miliardë vjet ekzistencë sistem diellor Kjo është se si shumë kometa i dhanë fund ekzistencës së tyre.

Në pranverë të vitit 1986, automatik Stacionet sovjetike"Vega-1" dhe "Vega-2", të cilat kaluan në një distancë prej 9000 dhe 8200 km prej tij, përkatësisht, dhe stacioni Giotto i NASA-s - në një distancë prej vetëm 600 km nga bërthama e kometës. Bërthama kishte përmasa 14 x 7,5 km, ngjyrë të errët dhe temperaturë rreth 400 K. Kur stacionet hapësinore kaloi nëpër kokën e kometës, duke sublimuar rreth 40,000 kg substancë të akullt në 1 s.

Vjeshtë e vonë, kur ndodh një goditje e fortë e ftohtë pas motit të lagësht, mund të shihni në degët e pemëve dhe telat

Frost është kristalet e desublimuara të akullit. Një fenomen i ngjashëm përdoret gjatë ruajtjes së akullores, kur dioksidi i karbonit ftohet, pasi molekulat që kthehen në avull marrin energji. Në Mars, dukuritë e sublimimit dhe desublimimit të dioksidit të karbonit në kapele polare luajnë të njëjtin rol si avullimi - kondensimi në atmosferën dhe hidrosferën e Tokës.

Kapaciteti i nxehtësisë tenton në zero në temperatura ultra të ulëta, siç vendosi Nernst. Nga këtu Planck tregoi se afër zero absolute të gjitha proceset vazhdojnë pa ndryshuar entropinë. Teoria e Ajnshtajnit për kapacitetin e nxehtësisë së trupave të ngurtë në temperatura të ulëta bëri të mundur formulimin e rezultatit të Nernst-it si ligjin e tretë të termodinamikës. Vetitë e pazakonta të substancave të vëzhguara në temperatura të ulëta - superfluiditeti dhe superpërçueshmëria - u shpjeguan në teori moderne si efekte kuantike makroskopike.

Tranzicionet fazore vijnë në disa lloje. Gjatë një tranzicioni fazor, temperatura nuk ndryshon, por vëllimi i sistemit ndryshon.

Tranzicionet fazore të rendit të parë ndryshimet në gjendjet agregate të një lënde quhen nëse: temperatura është konstante gjatë gjithë kalimit; vëllimi i sistemit ndryshon; entropia e sistemit ndryshon. Që të ndodhë një tranzicion i tillë fazor, është e nevojshme t'i jepet një sasi e caktuar nxehtësie një mase të caktuar lënde, që korrespondon me nxehtësinë latente të transformimit.

Në fakt, gjatë kalimit nga një fazë më e kondensuar në një fazë me një densitet më të ulët, është e nevojshme të jepet një sasi e caktuar energjie në formën e nxehtësisë, e cila do të shkojë drejt shkatërrimit. rrjetë kristali(gjatë shkrirjes) ose largimi i molekulave të lëngshme nga njëra-tjetra (gjatë avullimit). Gjatë transformimit, nxehtësia latente harxhohet për tejkalimin e forcave ngjitëse, intensiteti i lëvizjes termike nuk ndryshon dhe si rrjedhojë temperatura mbetet konstante. Me një tranzicion të tillë, shkalla e çrregullimit, dhe për rrjedhojë e entropisë, rritet. Nëse procesi shkon në drejtim të kundërt, atëherë lirohet nxehtësia latente.

Tranzicionet fazore të rendit të dytë shoqërohen me një ndryshim në simetrinë e sistemit: mbi pikën e tranzicionit, sistemi, si rregull, ka simetri më të lartë, siç tregoi L.D. Për shembull, në një magnet, momentet e rrotullimit mbi pikën e tranzicionit janë të orientuara rastësisht, dhe rrotullimi i njëkohshëm i të gjitha rrotullimeve rreth të njëjtit bosht me të njëjtin kënd nuk ndryshon vetitë e sistemit. Nën pikën e tranzicionit, të pasmet kanë një orientim të caktuar preferencial, dhe rrotullimi i tyre i njëkohshëm ndryshon drejtimin moment magnetik sistemeve. Landau prezantoi koeficientin e renditjes dhe zgjeroi potencialin termodinamik në pikën e tranzicionit në fuqitë e këtij koeficienti, mbi bazën e të cilit ai ndërtoi një klasifikim të të gjithëve. llojet e mundshme tranzicionit

Dov, si dhe teoria e dukurive të superfluiditetit dhe superpërçueshmërisë. Mbi këtë bazë, Landau dhe Lifshitz konsideruan shumë detyra të rëndësishme- kalimi i ferroelektrik në paraelektrik, ferromagnetik në paramagnetik, përthithja e zërit në pikën e kalimit, kalimi i metaleve dhe lidhjeve në gjendje superpërcjellëse etj.

Llogaritja e vetive termodinamike të një sistemi bazuar në mekanikën statistikore përfshin zgjedhjen e një modeli specifik të sistemit dhe si sistem më kompleks, aq më i thjeshtë duhet të jetë modeli. E. Ising propozoi një model të një ferromagneti (1925) dhe zgjidhi problemin e një zinxhiri njëdimensional duke marrë parasysh ndërveprimin me fqinjët më të afërt për çdo fushë dhe temperaturë. Në përshkrimi matematik Për sisteme të tilla grimcash me ndërveprim intensiv, zgjidhet një model i thjeshtuar kur ndodh vetëm ndërveprim i tipit çift (një model i tillë dydimensional quhet rrjetë Ising). Por tranzicionet fazore nuk mund të llogariteshin gjithmonë, ndoshta për shkak të disa fenomeneve të pa llogaritura të zakonshme për sistemet e shumë grimcave, dhe natyra e vetë grimcave (grimcat e lëngshme ose magnetët) nuk ka rëndësi. L. Onsager dha një zgjidhje të saktë për modelin dydimensional Ising (1944). Ai vendosi dipole në nyjet e rrjetës që mund të orientohen vetëm në dy mënyra, dhe secili dipol i tillë mund të ndërveprojë vetëm me fqinjin e tij. Doli se në pikën e tranzicionit kapaciteti i nxehtësisë shkon në pafundësi sipas ligjit logaritmik, në mënyrë simetrike në të dy anët e pikës së tranzicionit. Më vonë doli se ky përfundim është shumë i rëndësishëm për të gjitha tranzicionet e fazës së rendit të dytë. Puna e Onsager tregoi se metoda e mekanikës statistikore lejon që dikush të marrë rezultate të reja për transformimet fazore.

Tranzicionet fazore të të dytit, të tretës, etj. llojet shoqërohen me rendin e atyre derivateve të potencialit termodinamik Ф që përjetojnë ndryshime të fundme në pikën e tranzicionit. Ky klasifikim i transformimeve fazore lidhet me punën e fizikanit teorik P. Ehrenfest. Në rastin e një tranzicioni fazor të rendit të dytë, derivatet e rendit të dytë përjetojnë kërcime në pikën e tranzicionit: kapaciteti i nxehtësisë në presion konstant C p =,kompresibiliteti, koeficienti

ent zgjerim termik, ndersa per-

derivatet mbeten të vazhdueshme. Kjo do të thotë asnjë çlirim (thithje) i nxehtësisë dhe asnjë ndryshim në vëllimin specifik.

Teoria kuantike fushat filluan të përdoren për llogaritjet e sistemeve të grimcave vetëm në vitet '70. shekulli XX Sistemi u konsiderua si një grilë me një lartësi të ndryshme, gjë që bëri të mundur ndryshimin e saktësisë së llogaritjeve dhe afrimin me përshkrimin e sistemit real dhe përdorimin e një kompjuteri. Fizikani teorik amerikan K. Wilson, duke përdorur teknikë e re llogaritjet, morën një hap cilësor në kuptimin e tranzicioneve të fazës së rendit të dytë që lidhen me ristrukturimin e simetrisë së sistemit. Në fakt, ai e lidhi mekanikën kuantike me mekanikën statistikore dhe puna e tij u bë themelore

kuptimi mendor. Ato janë të zbatueshme në proceset e djegies, në elektronikë dhe në përshkrim dukuritë kozmike Dhe ndërveprimet bërthamore. Wilson studioi një klasë të gjerë fenomenesh kritike dhe krijoi teori e përgjithshme kalimet fazore të rendit të dytë.

Prezantimi.

Fazat quhen pjesë të ndryshme homogjene të sistemeve fizike dhe kimike. Një substancë është homogjene kur të gjithë parametrat e gjendjes së substancës janë të njëjta në të gjitha vëllimet e saj, dimensionet e së cilës janë të mëdha në krahasim me gjendjet ndëratomike. Përzierjet e gazrave të ndryshëm formojnë gjithmonë një fazë nëse janë në përqendrime të barabarta në të gjithë vëllimin.

E njëjta substancë, në varësi të kushteve të jashtme, mund të jetë në një nga tre gjendjet e grumbullimit - të lëngët, të ngurtë ose të gaztë. Në varësi të kushteve të jashtme, mund të jetë në një fazë, ose në disa faza njëherësh. Në natyrën përreth nesh, ne veçanërisht shpesh vërejmë tranzicione fazore të ujit. Për shembull: avullimi, kondensimi. Ekzistojnë kushte të presionit dhe temperaturës në të cilat një substancë është në ekuilibër në faza të ndryshme. Për shembull, kur një gaz është i lëngëzuar në një gjendje ekuilibri fazor, vëllimi mund të jetë çdo gjë, dhe temperatura e tranzicionit lidhet me presionin e avullit të ngopur. Temperaturat në të cilat ndodhin kalimi nga një fazë në tjetrën quhen temperatura kalimtare. Ato varen nga presioni, megjithëse në shkallë të ndryshme: pika e shkrirjes është më e dobët, temperatura e avullimit dhe sublimimit është më e fortë. Në presion normal dhe konstant, kalimi ndodh në një temperaturë të caktuar dhe këtu ndodhin pikat e shkrirjes, vlimit dhe sublimimit (ose sublimimit). Sublimimi është kalimi i një lënde nga një gjendje e ngurtë në një gjendje të gaztë dhe mund të vërehet, për shembull, në guaskat e bishtave të kometës. Kur një kometë është larg diellit, pothuajse e gjithë masa e saj është e përqendruar në bërthamën e saj, e cila është 10-12 kilometra. Bërthama e rrethuar nga një guaskë e vogël gazi është e ashtuquajtura koka e kometës. Kur i afrohet Diellit, bërthama dhe predha e kometës fillojnë të nxehen, probabiliteti i sublimimit rritet dhe desublimimi zvogëlohet. Gazrat që ikin nga bërthama e kometës bartin grimca të ngurta, koka e kometës rritet në vëllim dhe bëhet gaz-pluhur në përbërje.

Tranzicionet fazore të rendit të parë dhe të dytë.

Tranzicionet fazore vijnë në disa lloje. Ndryshimet në gjendjet agregate të një substance quhen kalime fazore të rendit të parë nëse:

1) Temperatura është konstante gjatë gjithë tranzicionit.

2) Vëllimi i sistemit ndryshon.

3) Entropia e sistemit ndryshon.

Që të ndodhë një tranzicion i tillë fazor, është e nevojshme t'i jepet një sasi e caktuar nxehtësie një mase të caktuar lënde, që korrespondon me nxehtësinë latente të transformimit. Në fakt, gjatë kalimit të fazës së kondensuar në një fazë me densitet më të ulët, është e nevojshme të jepet një sasi e caktuar energjie në formën e nxehtësisë, e cila do të përdoret për të shkatërruar rrjetën kristalore (gjatë shkrirjes) ose për të hequr. molekulat e lëngëta nga njëra-tjetra (gjatë avullimit). Gjatë transformimit, nxehtësia latente do të shkojë për të transformuar forcat ngjitëse, intensiteti i lëvizjes termike nuk do të ndryshojë dhe si rezultat temperatura do të mbetet konstante. Me një tranzicion të tillë, shkalla e çrregullimit, dhe për rrjedhojë e entropisë, rritet. Nëse procesi shkon në drejtim të kundërt, atëherë lirohet nxehtësia latente. Kalimet fazore të rendit të parë përfshijnë: shndërrimin e një të ngurtë në një lëng (shkrirje) dhe procesin e kundërt (kristalizimi), lëngu në avull (avullim, zierje). Një modifikim kristal në një tjetër (transformime polimorfike). Kalimet fazore të llojit të dytë përfshijnë: kalimin e një përcjellësi normal në një gjendje superpërcjellëse, helium-1 në helium superfluid-2, një ferromagnet në një gjendje paramagnetike. Metalet si hekuri, kobalti, nikeli dhe gadolinium shquhen për aftësinë e tyre për t'u magnetizuar shumë dhe për të qëndruar të magnetizuar për një kohë të gjatë. Ata quhen feromagnet. Shumica e metaleve (alkali dhe metalet alkaline të tokës dhe një pjesë e konsiderueshme e metaleve në tranzicion) magnetizohen dobët dhe nuk e ruajnë këtë gjendje jashtë fushë magnetike- këto janë paramagnetike. Tranzicionet fazore të llojeve të dyta, të treta e kështu me radhë shoqërohen me rendin e atyre derivateve të potencialit termodinamik φ që përjetojnë matje të fundme në pikën e tranzicionit Ernesti (1880 -1933). Kështu, në rastin e një tranzicioni fazor të rendit të dytë, derivatet e rendit të dytë përjetojnë kërcime në pikën e tranzicionit: kapaciteti i nxehtësisë në presion konstant Cp = -T(?ph 2 /?T 2), kompresueshmëria = -(1/ V 0)(? 2 f/ ?p 2), koeficienti i zgjerimit termik b=(1/V 0)(? 2 f/?Tp), ndërsa derivatet e parë mbeten të vazhdueshëm. Kjo do të thotë asnjë çlirim (thithje) i nxehtësisë dhe asnjë ndryshim në vëllimin specifik (φ - potenciali termodinamik).

Shteti ekuilibri fazor karakterizohet nga një marrëdhënie e caktuar midis temperaturës së transformimit fazor dhe presionit. Numerikisht, kjo varësi për kalimet fazore jepet nga ekuacioni Clapeyron-Clausius: p/T=q/TV. Hulumtimi në temperatura të ulëta është një degë shumë e rëndësishme e fizikës. Fakti është se në këtë mënyrë ju mund të shpëtoni nga ndërhyrja që lidhet me lëvizjen kaotike termike dhe të studioni fenomenet në një formë "të pastër". Kjo është veçanërisht e rëndësishme kur studiohen ligjet kuantike. Zakonisht, për shkak të lëvizjes kaotike termike, ndodh mesatarja sasi fizike Nga një numër i madh saj kuptime të ndryshme dhe kërcimet kuantike janë "të lyer".

Temperaturat e ulëta ( temperaturat kriogjenike), në fizikë dhe teknologjinë kriogjenike, diapazoni i temperaturës është nën 120°K (0°c=273°K); puna e Carnot (punuar në një motor nxehtësie) dhe Clausius hodhën themelet për kërkimin e vetive të gazeve dhe avujve, ose termodinamika teknike. Në 1850, Clausius vuri re se avulli i ujit të ngopur kondensohet pjesërisht kur zgjerohet, dhe kur kompresohet ai kalon në një gjendje të mbinxehur. Një kontribut i veçantë në zhvillimin e kësaj disiplinë shkencore kontribuar nga Renu. Vëllimi i brendshëm i molekulave të gazit në temperaturën e dhomës është afërsisht një e mijëta e vëllimit të zënë nga gazi. Përveç kësaj, molekulat tërhiqen nga njëra-tjetra në distanca më të mëdha se ato nga ku fillon zmbrapsja e tyre.

Tranzicionet fazore, kalimet e një lënde nga një fazë në tjetrën kur ndryshojnë parametrat e gjendjes që karakterizojnë ekuilibrin termodinamik. Vlera e temperaturës, ose çdo sasi tjetër fizike, në të cilën ndodhin kalimet fazore në një sistem me një komponent quhet pika e tranzicionit. Gjatë kalimeve fazore të rendit të parë, vetitë e shprehura nga derivatet e parë të G në lidhje me presionin R, t-re T dhe parametrat e tjerë ndryshojnë befas me ndryshime të vazhdueshme në këto parametra. Në këtë rast, nxehtësia e tranzicionit lirohet ose absorbohet. Në një sistem me një komponent, temperatura e tranzicionit T 1 lidhur me presionin e gjakut R 1 Ekuacioni Clapeyron-Clausius dp 1 /dT 1 == QIT 1 D V, Ku P- nxehtësia e tranzicionit, D V- kërcim vëllimi. Tranzicionet fazore të llojit të parë karakterizohen nga fenomene histereze (për shembull, mbinxehja ose superftohja e njërës prej fazave), të cilat janë të nevojshme për formimin e bërthamave të një faze tjetër dhe shfaqjen e tranzicioneve fazore me shpejtësia e terminalit. Në mungesë të bërthamave të qëndrueshme, faza e mbinxehur (superftohur) është në një gjendje ekuilibri metastabile. E njëjta fazë mund të ekzistojë (edhe pse metastabile) në të dy anët e pikës së tranzicionit (megjithatë, fazat kristalore nuk mund të mbinxehen mbi temperaturën ose sublimimin). Në pikën F. p. Lloji I Energjisë Gibbs G si një funksion është i vazhdueshëm, dhe të dyja fazat mund të bashkëjetojnë për aq kohë sa të dëshirohet, domethënë ndodh e ashtuquajtura ndarje fazore (për shembull, bashkëjetesa e të dyjave ose dhe për një vëllim total të caktuar të sistemit).

Tranzicionet fazore të rendit të parë janë fenomene të përhapura në natyrë. Këto përfshijnë gazin dhe faza e lëngshme, shkrirja dhe ngurtësimi, dhe (desublimimi) nga faza e gazit në të ngurtë, shumica e transformimeve polimorfike, disa kalime strukturore në të ngurta, për shembull, formimi i martensitit në - . Në materialet e pastra, një fushë magnetike mjaft e fortë shkakton kalime fazore të rendit të parë nga gjendja superpërcjellëse në gjendjen normale.

Gjatë kalimeve fazore të llojit të dytë, vetë sasia G dhe derivatet e para G Nga T, fq dhe parametrat dhe gjendjet e tjera ndryshojnë vazhdimisht, dhe derivatet e dytë (përkatësisht, koeficienti dhe zgjerimi termik) me një ndryshim të vazhdueshëm të parametrave ndryshojnë papritur ose janë njëjës. Nxehtësia nuk çlirohet apo absorbohet, mungojnë dukuritë e histerezës dhe gjendjet metastabile. Tranzicionet fazore të rendit të dytë, të vëzhguara me një ndryshim të temperaturës, përfshijnë, për shembull, kalimet nga një gjendje paramagnetike (e çrregulluar) në një gjendje të renditur magnetikisht (ferro- dhe ferrimagnetike në pikën Neel) me shfaqjen e magnetizimit spontan (përkatësisht në të gjithë rrjetën ose në secilën prej nënshtresave magnetike); tranzicioni - me shfaqjen e spontanit. shfaqja e një gjendjeje të renditur në trupat e ngurtë (në renditjen e lidhjeve); tranzicioni smektik kristalet e lëngëta në fazën nematike, e shoqëruar nga një rritje anormale e kapacitetit të nxehtësisë, si dhe kalimet midis fazave të ndryshme smektike; l - kalimi në 4 Ai, i shoqëruar nga shfaqja e një anomalish të lartë dhe superfluiditeti. Kalimi në një gjendje superpërcjellëse në mungesë të një fushe magnetike.

Tranzicionet fazore mund të shoqërohen me ndryshime në presion. Shumë substanca në presione të ulëta kristalizohen në struktura të paketuara lirshëm. Për shembull, struktura është një seri shtresash të ndara gjerësisht nga njëra-tjetra. Në presione mjaft të larta, struktura të tilla të lirshme korrespondojnë me vlera të mëdha Energjia e Gibbs, dhe vlerat më të ulëta korrespondojnë me fazat ekuilibër të mbushura ngushtë. Prandaj, në presione të larta, grafiti shndërrohet në diamant. Kuanti 4 He dhe 3 He mbeten të lëngshëm në presion normal deri në më të ulëtin temperaturat e arritura afër zeros absolute. Arsyeja për këtë është ndërveprim i dobët dhe amplituda e madhe e “lëkundjeve zero” të tyre (probabilitet i lartë tunelizimi kuantik nga një pozicion fiks në tjetrin). Megjithatë, rritja bën që heliumi i lëngshëm të ngurtësohet; për shembull, 4 Ai në 2.5 MPa formon hekzagjen, një rrjetë të ngushtë.

Interpretimi i përgjithshëm i tranzicioneve të fazës së rendit të dytë u propozua nga L.D. Landau në vitin 1937. Mbi pikën e tranzicionit, sistemi, si rregull, ka simetri më të lartë se nën pikën e tranzicionit, prandaj, kalimet e fazës së rendit të dytë interpretohen si një pikë. e ndryshimit të simetrisë. Për shembull, në një ferromagnet, mbi pikën Curie, drejtimet e momenteve magnetike të rrotullimit të grimcave shpërndahen në mënyrë kaotike, kështu që rrotullimi i njëkohshëm i të gjitha rrotullimeve rreth të njëjtit bosht me të njëjtin kënd nuk e ndryshon gjendjen fizike. vetitë e sistemit. Nën pikën e tranzicionit, rrotullimet kanë një orientim preferencial dhe rrotullimi i tyre i përbashkët në kuptimin e mësipërm ndryshon drejtimin e momentit magnetik të sistemit. Në një aliazh me dy përbërës, atomet e të cilit A dhe B ndodhen në vendet e një rrjete të thjeshtë kristalore kubike, gjendja e çrregullt karakterizohet nga një shpërndarje kaotike e A dhe B mbi vendet e rrjetës, në mënyrë që një rrjetë zhvendoset me një periudhë nuk i ndryshon vetitë. Nën pikën e tranzicionit, atomet e aliazhit janë të renditur në mënyrë të rregullt: ...ABAB... Zhvendosja e një rrjete të tillë me një pikë çon në zëvendësimin e të gjithë A me B dhe anasjelltas. Kështu, simetria e rrjetës zvogëlohet, pasi nën-grilat e formuara nga atomet A dhe B bëhen joekuivalente.

Simetria shfaqet dhe zhduket befas; në këtë rast, shkelja e simetrisë mund të karakterizohet nga fizike. një sasi që ndryshon vazhdimisht gjatë kalimeve fazore të llojit të dytë dhe quhet. parametri i rendit. Për lëngjet e pastra ky parametër është dendësia, për tretësirat - përbërja, për ferro- dhe ferrimagnetet - magnetizimi spontan, për ferroelektrikë - spontan polarizimi elektrik, për lidhjet - fraksioni i atyre të renditura për kristalet e lëngëta smektike - amplituda e valës së densitetit, etj. Në të gjitha rastet e mësipërme, në temperatura mbi pikën e kalimit fazor të llojit të dytë, parametri i rendit e barabartë me zero, poshtë kësaj pike fillon rritja e saj anormale, duke çuar në maksimum. vlera në T = O.

Mungesa e nxehtësisë së tranzicionit, kërcimeve të densitetit dhe përqendrimeve, karakteristikë e tranzicionit të fazës së rendit të dytë, vërehet gjithashtu në pikën kritike në kthesat e tranzicioneve fazore të rendit të parë. Ngjashmëria rezulton të jetë shumë e thellë. Gjendja e materies pranë pikës kritike mund të karakterizohet edhe nga një sasi që luan rolin e një parametri të rendit. Për shembull, në rastin e ekuilibrit lëng-avull, një parametër i tillë është devijimi i densitetit të substancës nga vlerë kritike: kur lëvizni përgjatë një izokore kritike nga ana temperaturat e larta gazi është homogjen dhe devijimi i densitetit nga vlera kritike është zero, dhe nën temperaturën kritike substanca shtresohet në dy faza, në secilën prej të cilave devijimi i densitetit nga vlera kritike nuk është zero.

Meqenëse fazat ndryshojnë pak nga njëra-tjetra pranë pikës së kalimit të fazës së rendit të dytë, luhatjet e parametrit të rendit janë të mundshme, ashtu si afër pikës kritike. Kjo shoqërohet me fenomene kritike në pikat e tranzicionit të fazës së rendit të dytë: një rritje anormale e ndjeshmërisë magnetike të ferromagneteve dhe ndjeshmërisë dielektrike të ferroelektrikëve (një analog është rritja pranë pikës kritike të tranzicionit të lëngut-avull); rritje e mprehtë e kapacitetit të nxehtësisë; shpërndarje anormale e valëve të dritës në sistemin e avullit të lëngshëm (e ashtuquajtura opalescencë kritike), rrezet x në trupat e ngurtë, neutronet në feromagnet. Ndryshojnë ndjeshëm edhe proceset dinamike, gjë që shoqërohet me resorbimin shumë të ngadaltë të luhatjeve që rezultojnë. Për shembull, afër pikës kritike të avullit të lëngshëm, vija e shpërndarjes së dritës së Rayleigh ngushtohet afër pikave Curie dhe Néel në ferromagnet dhe antiferromagnet, përkatësisht, difuzioni i rrotullimit ngadalësohet (përhapja e magnetizimit të tepërt që ndodh sipas ligjeve të difuzionit). Madhësia mesatare e luhatjeve (rrezja e korrelacionit) rritet me afrimin e tranzicionit fazor të rendit të dytë dhe bëhet anormalisht i madh në këtë pikë. Kjo do të thotë se çdo pjesë e substancës në pikën e tranzicionit "ndjen" ndryshimet që kanë ndodhur në pjesët e mbetura. Përkundrazi, larg pikës së tranzicionit të llojit të dytë, luhatjet janë statistikisht të pavarura dhe ndryshimet e rastësishme të gjendjes në një pjesë të caktuar të sistemit nuk ndikojnë në vetitë e pjesëve të tjera të tij.