32725

Понятие фазы. Фазовые переходы 1 и 2 рода. Фазовые диаграммы. Тройная точка

Доклад

Физика

Понятие фазы. В однокомпонентной системе разные фазы могут быть представлены различными агрегатными состояниями или разными полиморфными модификациями вещества. В многокомпонентной системе фазы могут иметь различный состав и структуру. Основные понятия Газ всегда состоит из одной фазы жидкость может состоять из нескольких жидких фаз разного состава Ликвация жидкостная несмешиваемость но двух разных жидкостей одного состава в равновесии сосуществовать не может.

Русский

2013-09-05

57 KB

140 чел.

57.Понятие фазы. Фазовые переходы 1 и 2 рода. Фазовые диаграммы. Тройная точка.

Термодинамическая фаза — термодинамически однородная по составу и свойствам часть термодинамической системы, отделенная от других фаз поверхностями раздела, на которых скачком изменяются некоторые свойства системы. Другое определение: Фаза — гомогенная часть гетерогенной системы. В однокомпонентной системе разные фазы могут быть представлены различными агрегатными состояниями или разными полиморфными модификациями вещества. В многокомпонентной системе фазы могут иметь различный состав и структуру.

Основные понятия

Газ всегда состоит из одной фазы, жидкость может состоять из нескольких жидких фаз разного состава (Ликвация, жидкостная несмешиваемость), но двух разных жидкостей одного состава в равновесии сосуществовать не может. Вещество в твердом состоянии может состоять из нескольких фаз, причем некоторые из них могут иметь одинаковый состав, но различную структуру (полиморфные модификации, аллотропия).

Разные фазы обладают различными вариантами упаковки молекул (для кристаллических фаз, различными кристаллическими решетками), и, следовательно, своими характерными значениями коэффициента сжимаемости, коэффициента теплового расширения и прочими характеристиками. Кроме того, различные фазы могут обладать разными электрическими (сегнетоэлектрики), магнитными (ферромагнетики), и оптическими свойствами (например, твёрдый кислород).

Термодинамические фазы на фазовой диаграмме





Типичные виды фазовых диаграмм. Зелёная линия из точек показывает аномальное поведение воды

На фазовой диаграмме вещества различные термодинамические фазы занимают определённые области. Линии, разделяющие различные термодинамические фазы, называются линиями фазового перехода. Если вещество находится в условиях, отвечающих точке внутри какой-либо области, то оно полностью находится в этой термодинамической фазе. Если же состояние вещества отвечает точке на одной из линий фазовых переходов, то вещество в термодинамическом равновесии может находиться частично в одной, а частично в другой фазе. Пропорция двух фаз определяется, как правило, полной энергией, запасённой системой.

При медленном (адиабатическом) изменении давления или температуры вещество описывается движущейся точкой на фазовой диаграмме. Если эта точка в своём движении пересекает одну из линий, разделяющих термодинамические фазы, происходит фазовый переход, при котором физические свойства вещества меняются скачкообразно.

Не все фазы полностью отделены друг от друга линией фазового перехода. В некоторых случаях эта линия может обрываться, оканчиваясь критической точкой. В этом случае возможен постепенный, а не скачкообразный переход из одной фазы в другую, в обход линии фазовых переходов.

Точка на фазовой диаграмме, где сходятся три линии фазовых переходов, называется тройной точкой. Обычно под тройной точкой вещества подразумевается частный случай, когда сходятся линии плавления, кипения и сублимации, однако на достаточно богатых фазовых диаграммах может быть несколько тройных точек. Вещество в тройной точке в состоянии термодинамического равновесия может частично находиться во всех трёх фазах. На многомерных фазовых диаграммах (то есть если кроме температуры и давления присутствуют иные интенсивные величины) могут существовать четверные и т. д. точки.

Термодинамические фазы и агрегатные состояния вещества

Набор термодинамических фаз вещества обычно значительно богаче набора агрегатных состояний, т.е. одно и то же агрегатное состояние вещества может находиться в различных термодинамических фазах. Именно поэтому описание вещества в терминах агрегатных состояний довольно огрублённое, и оно не может различить некоторые физические разные ситуации.

Богатый набор термодинамических фаз связан, как правило, с различными вариантами порядка, которые допускаются в том или ином агрегатном состоянии.

В газообразном состоянии вещество не обладает никаким порядком. Соответственно, в газообразном состоянии любое вещество обладает только одной термодинамической фазой. (Фазовые переходы типа диссоциации молекул или ионизации являются, по определению, переходами одного вещества в другое).

Жидкость обладает ориентационным порядком, но, как правило, не обладает трансляционным порядком . В результате у одной и той же жидкости могут быть разные термодинамические фазы, однако количество их редко превышает единицу. Так, например, существование новой жидкой фазы обнаружено в переохлаждённой воде. Другой, специфический, пример: сверхтекучее состояние в жидком гелии.

Кристаллическое твёрдое тело обладает как трансляционным, так и ориентационным порядком. В результате даже возникает большое число возможных вариантов ориентации соседних молекул друг относительно друга, которые могут оказаться энергетически выгодными при тех или иных давлении и температуре. В результате твёрдые тела обладают, как правило, достаточно сложной фазовой диаграммой.

Классификация фазовых переходов

При фазовом переходе первого рода скачкообразно изменяются самые главные, первичные экстенсивные параметры: удельный объём (т.е. плотность), количество запасённой внутренней энергии, концентрация компонентов и т. п. Подчеркнём: имеется в виду скачкообразное изменение этих величин при изменении температуры, давления и т. п., а не скачкообразное изменение во времени (насчёт последнего см. ниже раздел Динамика фазовых переходов).

Наиболее распространённые примеры фазовых переходов первого рода:

плавление и затвердевание, кипение и конденсация, сублимация и десублимация

При фазовом переходе второго рода плотность и внутренняя энергия не меняются, так что невооружённым глазом такой фазовый переход может быть незаметен. Скачок же испытывают их вторые производные по температуре и давлению: теплоёмкость, коэффициент теплового расширения, различные восприимчивости и т. д.

Фазовые переходы второго рода происходят в тех случаях, когда меняется симметрия строения вещества (симметрия может полностью исчезнуть или понизиться). Описание фазового перехода второго рода как следствие изменения симметрии даётся теорией Ландау. В настоящее время принято говорить не об изменении симметрии, но о появлении в точке перехода параметра порядка, равного нулю в менее упорядоченной фазе и изменяющегося от нуля (в точке перехода) до ненулевых значений в более упорядоченной фазе.

Наиболее распространённые примеры фазовых переходов второго рода:

прохождение системы через критическую точку

переход парамагнетик-ферромагнетик или парамагнетик-антиферромагнетик (параметр порядканамагниченность)

переход металлов и сплавов в состояние сверхпроводимости (параметр порядка — плотность сверхпроводящего конденсата)

переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние (п.п. — плотность сверхтекучей компоненты)

переход аморфных материалов в стеклообразное состояние

Современная физика исследует также системы, обладающие фазовыми переходами третьего или более высокого рода.

В последнее время широкое распространение получило понятие квантовый фазовый переход, т.е. фазовый переход, управляемый не классическими тепловыми флуктуациями, а квантовыми, которые существуют даже при абсолютном нуле температур, где классический фазовый переход не может реализоваться вследствие теоремы Нернста.

Тройная точка — точка на фазовой диаграмме, где сходятся три линии фазовых переходов. Тройная точка — это одна из характеристик химического вещества. Обычно тройная точка определяется значением температуры и давления, при котором вещество может равновесно находится в трёх (отсюда и название) агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. В этой точке сходятся линии плавления, кипения и сублимации.

В более общем случае могут рассматриваться и другие фазы вещества, не соответствующие различным агрегатным состояниям. На достаточно богатых фазовых диаграммах может быть несколько тройных точек. Вещество в тройной точке в состоянии термодинамического равновесия может частично находиться во всех трёх фазах. На многомерных фазовых диаграммах (то есть если кроме температуры и давления присутствуют иные интенсивные величины) могут существовать четверные и т. д. точки.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38513. Особливості маловідхідної технології вторинної переробки рудних пісків у балці «Крута» ВГМК 427 KB
  Значення вторинної переробки досить значне. По-перше ресурси багатьох матеріалів на Землі обмежені та не можуть бути заповнені в терміни, порівнянні з часом існування людської цивілізації. По-друге, потрапивши в навколишнє середовище, матеріали зазвичай стають забруднювачами.
38514. Описание технологического процесса изготовления детали «Муфта» 1019 KB
  Целью данной работы является: краткое описание характеристики цеха; описание оборудования приспособлений инструментов применяемых при изготовлении детали Муфта описание последовательности обработки детали Муфта назначение режимов резания при обработке детали составление технологической карты обработки; произвести обзор функций станков с ЧПУ описание программного обеспечения станков с ЧПУ тестирования и ввод коррекции станков с ЧПУ эксплуатации основных компонентов станков с ЧПУ методов наладки и контроля станка с ЧПУ...
38515. Цифрова обробка відеосигналу. Способи підключення відеопристроїв. mini-HDMI 5.02 MB
  Жорсткі диски того часу не перевершували обсягу одного CD а потужність процесора не дозволяла робити досить складних обчислень по розпакуванню звуку в реальному часі. Системи й методи цифрової обробки також розроблялися в оборонних галузях у першу чергу для рішення завдань радіолокації обробки гідроакустичних і телевізійних сигналів. Тому бажано щоб РКТ мав роз'єми DVI і HDMI 1. Види роз'ємів HDMI і кабелів Його досить часто можна зустріти на нових моделях комп'ютерів ноутбуків і телевізорів.
38516. Створення культурно розважального сайту міста Хмельницького 3.73 MB
  Виходячи з даних проблем у роботі даного вебсайту має бути розроблений сайт про культурно розважальне життя міста Хмельницького з усіма його подіями розважальними закладами та коротким описом. В ході дипломногопроетування було створено вебсай за допомогою якого користувачі можуть переглядати різні заклади для відпочинку а також різноманітні розважальні заходи що відбудуться у цих закладах чи інші події у місті Хмельницькому 1 Характеристика предметної області. Розглянемо похожі вебсайти на наявність переваг та недоліків.
38517. Раскрытие юридического механизма действия уголовно-правовой нормы об убийстве, совершенном при превышении пределов необходимой обороны 467 KB
  Равно как и тесно связанный с ним являющийся как бы его частью институт превышения пределов необходимой обороны.37 УК РФ не является преступлением причинение вреда посягающему лицу при защите личности и прав обороняющегося или других лиц интересов общества или государства от общественно опасного посягательства если при этом не допущено превышения пределов необходимой обороны. Стало быть превышение пределов необходимой обороны действие преступное.
38518. Общие сведения работы на предприятии, санитарно-технические требования и пошаговое приготовление блюд (Борщ и куриные котлеты на косточке) 845 KB
  Исторически борщ — это национальное блюдо Древнего Рима, где специально для него выращивали много капусты и свеклы. Из Рима этот прекрасный суп постепенно проник в кулинарии многих народов мира, в каждой из них приобретая свои особенные национальные черты.
38519. Разработка базы данных «Кредитование клиентов» 430 KB
  Одной из постоянных проблем персональных компьютеров является нехватка памяти. Как правило, персональный компьютер мы используем в ежедневной работе, учебе, отдыхе, играх. Поэтому очень важно, чтобы ваш ПК имел достаточное количество памяти для хранения различного рода информации
38520. Разработка дизайн-проекта актового зала ГБОУ СПО (ССУЗ) «Златоустовский Металлургический колледж» а с учетом эргономических требований 20.98 MB
  Сначала роль электрической лампочки выполняли обычные свечи рисунок 1 позже им на смену пришел керосин рисунок 2 потом появились газовые фонари рисунок 3. Рисунок 1 Свеча Рисунок 2 Керосиновая лампа Рисунок 3 Газовый фонарь Кованые фонари издавна использовались не только как средство освещения улицы или помещения но и как красивое украшение. Рисунок 4 Кованый фонарь Рисунок 5 Кованые фонари Рисунок 6 ...