Fázisátmenet

A fázisátalakulás (fázistranszformáció) a termodinamikában  az anyag átmenete egyik termodinamikai fázisból a másikba, amikor a külső körülmények megváltoznak. Egy rendszer fázisdiagram mentén történő mozgása szempontjából, intenzív paramétereinek ( hőmérséklet , nyomás , stb.) változásával, fázisátalakulás következik be, amikor a rendszer átlépi a két fázist elválasztó vonalat. Mivel a különböző termodinamikai fázisokat különböző állapotegyenletek írják le , mindig lehet olyan mennyiséget találni, amely a fázisátalakulás során hirtelen változik.

Mivel a termodinamikai fázisokra való felosztás az állapotok finomabb osztályozása, mint az aggregált halmazállapotokra való felosztás , korántsem minden fázisátmenet jár együtt az aggregált állapot változásával. De az aggregáció állapotában bekövetkezett bármilyen változás fázisátmenet.

A leggyakrabban figyelembe vett fázisátalakulások a hőmérséklet változásával, de állandó nyomáson (általában 1 atmoszférával egyenlő). Ezért gyakran használják a fázisátalakulás, olvadáspont stb. „pontja” (nem vonal) kifejezéseket.. Természetesen fázisátalakulás történhet nyomásváltozással és állandó hőmérsékleten és nyomáson is, de a komponensek koncentrációjának megváltozásával (például sókristályok megjelenése a telítettséget elért oldatban ).

A fázisátalakulások osztályozása

Az első típusú fázisátalakulás során a legfontosabb, elsődleges paraméterek hirtelen megváltoznak: fajlagos térfogat , tárolt belső energia mennyisége , komponensek koncentrációja , stb. Hangsúlyozzuk: ezeknek a mennyiségeknek a hirtelen változását értjük, amikor a hőmérséklet, nyomás stb. ., és nem ugrásszerű időbeli változás (utóbbiról lásd alább a Fázisátmenetek dinamikája című részt ).

Az elsőrendű fázisátmenetek leggyakoribb példái a következők :

• olvadás és kristályosodás
• párolgás és kondenzáció
• szublimáció és deszublimáció

A második típusú fázisátalakulás során a sűrűség és a belső energia nem változik, így az ilyen fázisátalakulás szabad szemmel nem észlelhető. Az ugrást a hőmérsékletre és nyomásra vonatkozó származékaik tapasztalják: hőkapacitás, hőtágulási együttható, különféle érzékenységek stb.

A második típusú fázisátmenetek azokban az esetekben fordulnak elő, amikor az anyag szerkezetének szimmetriája megváltozik ( a szimmetria teljesen eltűnhet vagy csökkenhet). A szimmetriaváltozás következményeként létrejövő másodrendű fázisátalakulás leírását Landau elmélete adja . Jelenleg nem a szimmetria változásáról szokás beszélni, hanem egy sorrendi paraméter megjelenéséről az átmeneti pontban . A rendelési paraméter értékét úgy határozzuk meg, hogy értéke az aszimmetrikus fázisban különbözik a nullától, a szimmetrikus fázisban pedig nullával egyenlő. Más szóval, a test szimmetriája nő, ha az egyenlőség szigorúan teljesül . Ha a rendelési paraméter tetszőlegesen kicsi eltérése van a nullától, akkor ez a szimmetria csökkenését jelzi. Folyamatos nullára hajlás esetén második típusú fázisátalakulásokról beszélünk. A másodrendű fázisátalakulás pontján a folyamatos állapotváltozás a termodinamikai függvények folyamatos változását vonja maga után ugyanazon a ponton.

A másodrendű fázisátmenetek leggyakoribb példái:

• a rendszer áthaladása egy kritikus ponton
• átmeneti paramágnes - ferromágnes vagy paramágnes - antiferromágnes (rend paraméter - mágnesezés )
• fémek és ötvözetek átmenete szupravezető állapotba (a sorrendi paraméter a szupravezető kondenzátum sűrűsége)
• a folyékony hélium átmenete szuperfolyékony állapotba (a sorrendi paraméter a szuperfolyékony komponens sűrűsége)
• amorf anyagok átmenete üveges állapotba

A másodrendűnél nagyobb fázisátalakulások létezését még nem igazolták kísérletileg [1] [2] [3] [4] [5] . Az elméleti elemzés nem ad okot arra, hogy a magasabb rendű fázisátalakulásokat alapvetően lehetetlennek tekintsük [1] ( A Bose-kondenzáció szabad bozonokból álló gáz esetén egy virtuális termodinamikai rendszer harmadrendű fázisátalakulásának példája [6] ), de még egy harmadrendű fázisátalakulás esetén az egyensúlyi feltételek olyan erős korlátozásokat támasztanak az anyag tulajdonságaira vonatkozóan, hogy az ilyen átmenetek elvileg megvalósíthatónak tűnnek, de rendkívül ritkán valósulnak meg [2] .

A közelmúltban elterjedt a kvantumfázisváltás fogalma , vagyis egy olyan fázisátalakulás, amelyet nem klasszikus hőingadozások vezérelnek , hanem kvantumok, amelyek léteznek még abszolút nulla hőmérsékleten is, ahol a klasszikus fázisátalakulás a Nernst miatt nem valósítható meg . tétel .

Fázisátmenetek dinamikája

Mint fentebb említettük, egy anyag tulajdonságainak ugrása a hőmérséklet és a nyomás változásával járó ugrást jelent. A valóságban a rendszerre hatva nem ezeket a mennyiségeket változtatjuk meg, hanem a térfogatát és a teljes belső energiáját. Ez a változás mindig valamilyen véges sebességgel megy végbe, ami azt jelenti, hogy a sűrűségben vagy a fajlagos belső energiában lévő teljes rést „elfedni” bizonyos véges időre van szükségünk. Ezalatt a fázisátalakulás az anyag teljes térfogatában nem azonnal, hanem fokozatosan következik be. Ebben az esetben az első típusú fázisátalakulásnál bizonyos mennyiségű energia szabadul fel (vagy vesz el), amit a fázisátalakulás hőjének nevezünk . Ahhoz, hogy a fázisátalakulás ne álljon le, ezt a hőt folyamatosan el kell távolítani (vagy betáplálni), vagy a rendszeren végzett munkával kompenzálni kell.

Ennek eredményeként ez idő alatt a fázisdiagram rendszert leíró pontja "lefagy" (vagyis a nyomás és a hőmérséklet állandó marad), amíg a folyamat be nem fejeződik.

Jegyzetek

1. ↑ 1 2 Aleshkevich V. A., Molekuláris fizika, 2016 , p. 241.
2. ↑ 1 2 Gukhman A. A., A termodinamika alapjairól, 2010 , p. 300.
3. ↑ Karyakin N.V., A kémiai termodinamika alapjai, 2003 , p. 210.
4. ↑ Poltorak O. M., Termodinamika a fizikai kémiában, 1991 , p. 131.
5. ↑ Novikov I. I., Termodinamika, 1984 , p. 249.
6. ↑ Yu. B. Rumer, M. Sh. Ryvkin, Termodinamika, statisztikai fizika és kinetika, 2000 , p. 270.

Irodalom

• Aleshkevich V. A. Molekuláris fizika. - M. : Fizmatlit, 2016. - 308 p. — (Általános fizika egyetemi szak). — ISBN 978-5-9221-1696-1 .
• Bazarov I. P. Termodinamika.  - St. Petersburg: Lan Publishing House, 2010. - 384 p.
• Bazarov IP Tévedések és hibák a termodinamikában. Szerk. 2. fordulat. - M. : Szerkesztői URSS, 2003. 120 p.
• Gukhman A. A. A termodinamika alapjairól. — 2. kiadás, javítva. - M. : LKI Kiadó, 2010. - 384 p. — ISBN 978-5-382-01105-9 .
• Karyakin NV A kémiai termodinamika alapjai. - M . : Akadémia, 2003. - 463 p. — (Felsőfokú szakmai végzettség). — ISBN 5-7695-1596-1 .
• Kvasnikov IA Termodinamika és statisztikai fizika. V.1: Egyensúlyi rendszerek elmélete: Termodinamika. - Vol.1. Szerk. 2, rev. és további - M. : URSS, 2002. 240 p.
• Novikov I. I. Termodinamika. - M . : Mashinostroenie, 1984. - 592 p.
• Poltorak OM Termodinamika a fizikai kémiában. - M . : Felsőiskola, 1991. - 320 p. — ISBN 5-06-002041-X .
• Rumer Yu. B. , Ryvkin M. Sh. Termodinamika, statisztikai fizika és kinetika. — 2. kiadás, javítva. és további - Novoszibirszk: Nosib Kiadó. un-ta, 2000. - 608 p. — ISBN 5-7615-0383-2 .
• Stanley. D. Fázisátmenetek és kritikus jelenségek. - M .: Mir, 1973.
• Patashinsky AZ, Pokrovskiy VL Fázisátmenetek fluktuációs elmélete. - M .: Nauka, 1981.
• Gufan Yu. M. . A fázisátalakulások termodinamikai elmélete. - Rostov n / a: A Rosztovi Egyetem Kiadója, 1982. - 172 p.
• Sinai Ya. G. A fázisátalakulások elmélete. - M., Nauka, 1980. - 208 p.