Таблица давление при фазовом переходе различных веществ. Фазовые переходы вещества

2. Фазовые переходы первого и второго рода………………………..4

3. Идеальный газ……………………………………………………….7

4. Реальный газ………………………………………………………....8

5. Молекулярно – кинетическая теория критических явлений….….9

6. Сверхтекучесть……………………………………………………..11

7. Сверхпроводимость………………………………………………..13

7.1 Открытие сверхпроводимости………………….…...13

7.2 Электрон – фононное взаимодействие……………..14

7.3 Сверхпроводники первого и второго рода………...16

7.4 Рецепт изготовления сверхпроводника…………….17

7.5 Техника безопасности……………………………….18

7.6 Эффект Майснера……………………………………20

8. Заключение………………………….……………………….22

9. Список литературы………………………………………….25


1. Введение.

Фазами называют однородные различные части физико-химических систем. Однородным является вещество, когда все параметры состояния вещества одинаковы во всех его объемах, размеры которых велики по сравнению с межатомными состояниями. Смеси различных газов всегда составляют одну фазу, если во всем объеме они находятся в одинаковых концентрациях.

Одно и то же вещество в зависимости от внешних условий может быть в одном из трех агрегатных состояний – жидком, твердом или газообразном. В зависимости от внешних условий может находиться в одной фазе, либо сразу в нескольких фазах. В окружающей нас природе мы особенно часто наблюдаем фазовые переходы воды. Например: испарение, конденсация. Существуют такие условия давления и температуры, при которых вещество находится в равновесии в различных фазах. Например, при сжижении газа в состоянии равновесия фаз объем, может быть каким угодно, а температура перехода связана с давлением насыщенного пара. Температуры, при которых происходят переходы из одной фазы в другую, называются температурами перехода. Они зависят от давления, хотя и в различной степени: температура плавления – слабее, температура парообразования и сублимации – сильнее. При нормальном и постоянном давлении переход происходит при определенном значении температуры, и здесь имеют место точки плавления, кипения и сублимации (или возгонки.). Сублимация - это переход вещества из твердого состояния в газообразное можно наблюдать, например, в оболочках кометных хвостов. Когда комета находится далеко от солнца, почти вся ее масса сосредоточена в ее ядре, имеющем размеры 10-12 километров. Ядро, окруженное небольшой оболочкой газа – это так называемая голова кометы. При приближении к Солнцу ядро и оболочки кометы начинают нагреваться, вероятность сублимации растет, а десублимации – уменьшается. Вырывающиеся из ядра кометы газы увлекают за собой и твердые частицы, голова кометы увеличивается в объеме и становится газопылевой по составу.


2. Фазовые переходы первого и второго рода.

Фазовые переходы бывают нескольких родов. Изменения агрегатных состояний вещества называют фазовыми переходами первого рода, если:

1)Температура постоянна во время всего перехода.

2)Меняется объем системы.

3) Меняется энтропия системы.

Чтобы произошел такой фазовый переход, нужно данной массе вещества пообшить определенное количество тепла, соответствующего скрытой теплоте превращения. В самом деле, при переходе конденсированной фазы в фазу с меньшей плотностью нужно сообщить некоторое количество энергии в форме теплоты, которое пойдет на разрушение кристаллической решетки (при плавлении) или на удаление молекул жидкости друг об друга (при парообразовании). Во время преобразования скрытая теплота пойдет на преобразование сил сцепления, интенсивность теплового движения не изменится, в результате температура останется постоянной. При таком переходе степень беспорядка, следовательно, и энтропия, возрастает. Если процесс идет в обратном направлении, то скрытая теплота выделяется. К фазовым переходам первого рода относятся: превращение твердого тела в жидкое (плавления) и обратный процесс (кристаллизация), жидкого - в пар (испарение, кипение). Одной кристаллической модификации - в другую (полиморфные превращения). К фазовым переходам второго рода относится: переход нормального проводника в сверхпроводящее состояние, гелий-1 в сверхтекучий гелий-2, ферромагнетика – в парамагнетик. Такие металлы, как железо, кобальт, никель и гадолиний, выделяются своей способностью сильно намагничиваются и долго сохранять состояние намагниченности. Их называют ферромагнетиками. Большинство металлов (щелочные и щелочноземельные металлы и значительная часть переходных металлов) слабо намагничиваются и не сохраняют это состояние вне магнитного поля – это парамагнетики. Фазовые переходы второго, третьего и так далее родов связаны с порядком тех производных термодинамического потенциала ∂ф, которые испытывают конечные измерения в точке перехода, Такая классификация фазовых превращений связана с работами физика - теоретика Пауля Эрнеста (1880 -1933). Так, в случае фазового перехода второго рода в точке перехода испытывают скачки производные второго порядка: теплоемкость при постоянном давлении Cp=-T(∂ф 2 /∂T 2), сжимаемость β=-(1/V 0)(∂ 2 ф/∂p 2), коэффициент теплового расширения α=(1/V 0)(∂ 2 ф/∂Tp), тогда как первые производные остаются непрерывными. Это означает отсутствие выделения (поглощения) тепла и изменения удельного объема (ф - термодинамический потенциал).

Состояние фазового равновесия характеризуется определенной связью между температурой фазового превращения и давлением. Численно эта зависимость для фазовых переходов даётся уравнением Клапейрона-Клаузиуса: Dp/DT=q/TDV. Исследования при низких температурах – очень важный раздел физики. Дело в том, что таким образом можно избавиться от помех связанных с хаотическим тепловым движением и изучать явления в “чистом” виде. Особенно важно это при исследовании квантовых закономерностей. Обычно из-за хаотического теплового движения происходит усреднение физической величины по большому числу её различных значений и квантовые скачки “смазываются”.

Низкие температуры (криогенные температуры), в физике и криогенной технике диапазон температур ниже 120°К (0°с=273°К); работы Карно (работал над тепловым двигателем) и Клаузиуса положили начало исследованиям свойств газов и паров, или технической термодинамике. В 1850 году Клаузиус заметил, что насыщенный водяной пар при расширении частично конденсируется, а при сжатии переходит в перегретое состояние. Особый вклад в развитие этой научной дисциплины внес Реню. Собственный объем молекул газа при комнатной температуре составляет примерно одну тысячную объема, занимаемого газом. Кроме того, молекулы притягиваются друг к другу на расстояниях, превышающих те, с которых начинается их отталкивание.

Равны удельным значениям энтропии, взятой с обратным знаком, и объеме: (4.30) Если в точках, удовлетворяющих фазовому равновесию: , первые производные химического потенциала для разных фаз испытывают разрыв: , (4.31) говорят, что термодинамическая система испытывает фазовый переход I-го рода. Для фазовых переходов первого рода характерно наличие срытой теплоты фазового перехода, ...

От переподъемов, нулевую и максимальную защиты. - предусматривать остановку сосудов в промежуточных точках ствола. световую сигнализацию о режимах работы подъемной установки в здании подъемной машины, у оператора загрузочного устройства, у диспетчера. Современные регулируемые электроприводы постоянного тока для автоматизированных подъемных установок выполняют на основе двигателей постоянного...


44,5 см, c = 12 см, а=20 см, l=8 см. Силовое действие магнитной системы оценивалось по величине равной произведению модуля поля Н на его градиент. Было получено, что распределение модуля поля Н рассматриваемой нами магнитной системы характеризуется ярко выраженной угловой зависимостью. Поэтому расчет модуля поля Н проводился с шагом в 1° для точек, расположенных на двух разных дугах для всего...

Системы состоит в получении ее “фазового портрета” (Волькенштейн, 1978). Он дает возможность выявить стационарные состояния системы и характер ее динамики при отклонении от них. Метод фазовых портретов применяется в технике для анализа и предсказания поведения физических систем различной сложности и в математической экологии для анализа динамики численности популяций (Волькенштейн, 1978; Свирежев...

Белоусова Юлия, Кобан Анастасия

В работе описываются фазовые переходы вещества. Фазовое равновесие. Плавление, кристаллизация, испарение, конденсация.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com


Подписи к слайдам:

Научно-исследовательская работа по физике: Фазовые переходы вещества

План: Объектная область и объект работы Актуальность исследования Цель и задачи исследования Ознакомление с начальными сведениями о фазовых переходах Роды фазовых переходов Фазовое равновесие Процессы в фазовых переходах Заключение

Объектная область Физика-это наука о мироздании, которая позволяет рассмотреть и познать окружающие нас процесс во всех тонкостях. «Самое прекрасное из всего, что мы можем переживать, - это непостижимое. Оно служит источником подлинных искусства и науки.»Альберт Эйнштейн.

Объект исследования Для объекта исследования данной области мы рассмотрим процесс фазового перехода вещества.

Актуальность темы Данная тема является интересной и актуальной тем, что в течении последних лет общеизвестно широкое применение фазовых переходов в различных областях науки и техники. Фазовые переходы можно отнести к наиболее значимым в практическом отношении способам применения физических эффектов.Это объясняется тем, что фазовые переходы: Часто применяются в патентах и практических решениях.

Цель работы: Ознакомление с основными представлениями современной науки о различных видах фазовых равновесии и о физических особенностях процессов переходов вещества из одной фазы в другую.

Задачи: Рассмотрение понятия фазового перехода Выявление родов фазового перехода и основные характеристики Рассмотрение фазового равновесия Установление различных процессов фазового перехода

Понятие Фазового перехода Фазовый переход, фазовое превращение, в широком смысле – переход вещества из одной фазы в другую при изменении внешних условий – температуры, давления, магнитного и электрического полей и т.д. В узком смысле – скачкообразное изменение физических свойств при непрерывном изменении внешних параметров.

Роды фазовых переходов Фазовые переходы делятся на I и II роды Изменения агрегатных состояний вещества называют фазовыми переходами первого рода, если: 1)Температура постоянна во время всего перехода. 2)Меняется объем системы. 3) Меняется энтропия системы. Фазовые переходы второго рода - фазовые переходы, при которых первые производные термодинамических потенциалов по давлению и температуре изменяются непрерывно, тогда как их вторые производные испытывают скачок. Отсюда следует, в частности, что энергия и объём вещества при фазовом переходе второго рода не изменяются, но изменяются его теплоёмкость, сжимаемость, различные восприимчивости и т. д.

Фазовые Фазовая диаграмма переходы с изображением первого и границы второго рода жидкой и газообразной фаз

Фазовое равновесие Условие равновесия фаз можно получить из теорем термодинамики. При равновесии системы температуры и давления всех фаз ее одинаковы. Если их поддерживать постоянным, то термодинамический потенциал системы может только убывать. При равновесии он принимает минимальное значение. Пусть m 1 - масса первой, а m 2 – масса второй фазы.  1 и  2 удельные термодинамические потенциалы вещества в этих фазах. Термодинамический потенциал всей системы представляется в виде Ф = m 1  1 + m 2  2. Если  1   2 , то всякое превращение фазы 1 в фазу 2 сопровождается уменьшением Ф. Это превращение и будет происходить, пока вся фаза 1 не перейдет в более устойчивую фазу 2. Тогда система сделается однофазной, а ее термодинамический потенциал достигнет минимального значения m ­  2 . Наоборот, если  1   2 , то фаза 2 в конце концов превратиться в фазу 1. Только при условии  1­ (Р, Т) =  2 (Р, Т) (1) Фазы будет находиться в равновесии друг с другом. Таким образом, условием равновесия фаз является равенство их удельных термодинамических потенциалов.

Диаграмма фазового равновесия углекислоты:

Смысл условия (1) состоит в том, что при любых фазовых превращениях величина удельного термодинамического потенциала остается неизменной. Таким образом, при всех изменениях состояния вещества его удельной термодинамический потенциал всегда изменяется непрерывно

Процессы в фазовых переходах Рассмотрим: Испарение и конденсация Плавление и кристаллизация Кипение и перенагревание жидкости

Испарение и конденсация Переход жидкости в газообразное состояние называется испарением, переход в газообразное состояние твердого тела носит название сублимации. Тепло, которое необходимо сообщить единице массы вещества для того, чтобы превратить ее в пар, находящийся при той же температуре, какую имело вещество до испарения, называется удельной теплотой испарения. При конденсации тепло, затраченное при испарении, отдается обратно: образующаяся при конденсации жидкость нагревается. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным. Давление, при котором наблюдается равновесие, называется давлением насыщенного пара.

Испарение какой-либо жидкости Испарение некоторых видов жидкостей в диаграмме

Плавление и кристаллизация Переход кристаллического тела в жидкое состояние происходит при определенной для каждого вещества температуре и требует затраты некоторого количества тепла, называемого теплотой плавления. Температура плавления зависит от давления. Таким образом, переход из кристаллического в жидкое состояние происходит при вполне определенных условиях, характеризуемых значениями давлениями и температуры. Совокупности этих значений соответствует кривая на диаграмме (р, Т), которую принято называть кривой плавления

Обратный плавлению процесс кристаллизации протекает следующим образом. При охлаждении жидкости до температуры, при которой твердая и жидкая фазы могут находиться в равновесии при данной давлении (т.е. до той же температуры, при которой происходило плавление), начинается одновременный рост кристалликов вокруг так называемых зародышей или центров кристаллизации. Разрастаясь все более, отдельные кристаллики в конце концов смыкаются друг с другом, образуя поликристаллическое твердое тело. Процесс кристаллизации сопровождается выделением такого же количества тепла, которое поглощается при плавлении.

Плавление

Диаграмма: Плавление- Кристаллизация

Кипение и перенагревание жидкости Если жидкость в сосуде нагревать при постоянном внешнем давлении со свободной поверхности жидкости. Такой процесс парообразования называется испарением. По достижении определенной температуры, называемом температурой кипения, образование пара начинает происходить не только со свободной поверхности, растут и поднимаются на поверхность пузыри пара, увлекая за собой и саму жидкость. Процесс парообразования приобретает бурный характер. Это явление называется кипением. Перегретую воду можно получить, например, в кварцевую колбу с гладкими стенками. Колба тщательно промывать сначала серной, азотной или какой – либо другой кислотой, а затем дистиллированной водой. В промытую колбу наливается дистиллированная вода, из которой продолжительным кипячением удаляется растворенный в ней воздух. После этого воду в колбе можно нагреть на газовой горелке до температуры, значительно превышающей температуру кипения, и тем не менее она не будет кипеть, а только интенсивно испаряться со свободной поверхности. Лишь изредка на дне колбы образуется пузырек пара, который быстро растет, отделяется от дна и поднимается на поверхность жидкости, причем размеры его при поднятии сильно возрастают. Затем вода длительное время остается спокойной. Если в такую воду ввести зародыш газообразной формы, например бросить щепотку чая, то она будет бурно закипать, а ее температура быстро понижается до температуры кипения. Это эффективный опыт носит характер взрыва.

Кипение Температура воды при пузырьковом кипении

Заключение Эта работа дала возможность поближе узнать процессы происходящие, когда одно состояние вещества переходит в другую, какие характеристики имеет каждое из фаз и состоянии. Видя процессы вокруг нас, мы легко можем рассказать как это происходит, зная лишь основную теорию. Поэтому физика помогает нам узнать большинство законов естествознания, которые помогут нам в будущем.

ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД, фазовое превращение, в широком смысле - переход вещества из одной фазы в другую при изменении внешних условий - темп-ры, давления, магнитного и элект-рич. полей и т. д.; в узком смысле - скачкообразное изменение физ. свойств при непрерывном изменении внешних параметров. Различие двух трактовок термина "Ф. п." видно из следующего примера. В узком смысле переход вещества из газовой фазы в плазменную (см. Плазма) не является Ф. п., так как ионизация газа происходит постепенно, но в широком смысле это - Ф. п. В данной статье термин "Ф. п." рассматривается в узком смысле.

Значение темп-ры, давления или к.-л. другой физ. величины, при к-ром происходит Ф. п., называют точкой перехода.

Различают Ф. п. двух родов. При Ф. п. первого рода скачком меняются такие термодинамич. характеристики вещества, как плотность, концентрация компонент; в единице массы выделяется или поглощается вполне определённое количество теплоты, носящее назв. теплоты перехода. При Ф. п. второго рода нек-рая физ. величина, равная нулю с одной стороны от точки перехода, постепенно растёт (от нуля) при удалении от точки перехода в другую сторону. При этом плотность и концентрации изменяются непрерывно, теплота не выделяется и не поглощается.

Ф. п.- широко распространённое в природе явление. К Ф. п. I рода относятся: испарение и конденсация, плавление и затвердевание, сублимация и конденсация в твёрдую фазу, нек-рые структурные переходы в твёрдых телах, напр. образование мартенсита в сплаве железо-углерод. В антиферромагнетиках с одной осью намагничивания магнитных подрешёток Ф. п. I рода происходит во внешнем магнитном поле, направленном вдоль оси. При определённом значении поля моменты магнитных подрешёток поворачиваются перпендикулярно направлению поля (происходит "опрокидывание" подрешёток). В чистых сверхпроводниках магнитное поле вызывает Ф. п. I рода из сверхпроводящего в нормальное состояние.

При абсолютном нуле темп-ры и фиксированном объёме термодинамически равновесной является фаза с наинизшим значением энергии. Ф. п. I рода в этом случае происходит при тех значениях давления и внешних полей, при к-рых энергии двух разных фаз сравниваются. Если зафиксировать не объём тела V, а давление р, то в состоянии термодинамич. равновесия минимальной является энергия Гиббса Ф (или G), а в точке перехода в фазовом равновесии находятся фазы с одинаковыми значениями Ф.

Многие вещества при малых давлениях кристаллизуются в неплотноупакованные структуры. Напр., кристаллич. водород состоит из молекул, находящихся на сравнительно больших расстояниях друг от друга; структура графита представляет собой ряд далеко отстоящих слоев атомов углерода. При достаточно высоких давлениях таким рыхлым структурам соответствуют большие значения энергии Гиббса. Меньшим значениям Ф в этих условиях отвечают равновесные плотно-упакованные фазы. Поэтому при больших давлениях графит переходит в алмаз, а молекулярный кристаллич. водород должен перейти в атомарный (металлический). Квантовые жидкости 3 Не и 4 Не при нормальном давлении остаются жидкими вплоть до самых низких из достигнутых темп-р (Т ~ 0,001 К). Причина этого - в слабом взаимодействии частиц и большой амплитуде их колебаний при темп-pax, близких к абс. нулю (т. н. нулевых колебаний). Однако повышение давления (до 20 атм при Т = 0 К) приводит к затвердеванию жидкого гелия. При отличных от нуля темп-pax и заданных давлении и темп-ре равновесной по-прежнему является фаза с минимальной энергией Гиббса (минимальная энергия, из к-рой вычтена работа сил давления и сообщённое системе количество теплоты).

Для Ф. п. I рода характерно существование области метастабильного равновесия вблизи кривой Ф. п. I рода (напр., жидкость можно нагреть до темп-ры выше точки кипения или переохладить ниже точки замерзания). Метастабилъные состояния существуют достаточно долго по той причине, что образование новой фазы с меньшим значением Ф (термодинамически более выгодной) начинается с возникновения зародышей этой фазы. Выигрыш в величине Ф при образовании зародыша пропорционален его объёму, а проигрыш - площади поверхности (значению поверхностной энергии). Возникшие маленькие зародыши увеличивают Ф, и поэтому с подавляющей вероятностью они будут уменьшаться и исчезнут. Однако зародыши, достигшие нек-рого критического размера, растут, и всё вещество переходит в новую фазу. Образование зародыша критич. размера - очень маловероятный процесс и происходит достаточно редко. Вероятность образования зародышей критич. размера увеличивается, если в веществе имеются чужеродные включения макроскопич. размеров (напр., пылинки в жидкости). Вблизи критической точки разница между равновесными фазами и поверхностная энергия уменьшаются, легко образуются зародыши больших размеров и причудливой формы, что отражается на свойствах вещества.

Примеры Ф. п. II рода - появление (ниже определённой в каждом случае темп-ры) магнитного момента у магнетика при переходе парамагнетик - ферромагнетик, антиферромагнитного упорядочения при переходе парамагнетик - антиферромагнетик, возникновение сверхпроводимости в металлах и сплавах, возникновение сверхтекучести в 4 Не и 3 Не, упорядочение сплавов, появление самопроизвольной (спонтанной) поляризации вещества при переходе параэлектрик- сегнетоэлектрик и т. д.

Л. Д. Ландау (1937) предложил общую трактовку всех Ф. п. II рода, как точек изменения симметрии: выше точки перехода система обладает более высокой симметрией, чем ниже точки перехода. Напр., в магнетике выше точки перехода направления элементарных магнитных моментов (спинов) частиц распределены хаотически. Поэтому одновременный поворот всех спинов не меняет физ. свойств системы. Ниже точки перехода спины имеют преимущественную ориентацию. Одновременный их поворот изменяет направление магнитного момента системы. Другой пример: в двухкомпонентном сплаве, атомы к-рого А и В расположены в узлах простой кубической кристаллической решётки, неупорядоченное состояние характеризуется хаотическим распределением атомов Л и В по узлам решётки, так что сдвиг решётки на один период не меняет её свойств. Ниже точки перехода атомы сплава располагаются упорядочение: ...АВАВ... Сдвиг такой решётки на период приводит к замене всех атомов Л на В или наоборот. В результате установления порядка в расположении атомов симметрия решётки уменьшается.

Сама симметрия появляется и исчезает скачком. Однако величина, характеризующая асимметрию (параметр порядка), может изменяться непрерывно. При Ф. п. II рода параметр порядка равен нулю выше точки перехода и в самой точке перехода. Подобным образом ведёт себя, напр., магнитный момент ферромагнетика, электрич. поляризация сегнетоэлектрика, плотность сверхтекучей компоненты в жидком 4 Не, вероятность обнаружения атома А в соответствующем узле кристаллич. решётки двухкомпонентного сплава и т. д.

Для Ф. п. II рода характерно отсутствие скачков плотности, концентрации, теплоты перехода. Но точно такая же картина наблюдается и в критич. точке на кривой Ф. п. I рода. Сходство оказывается очень глубоким. Вблизи критич. точки состояние вещества можно характеризовать величиной, играющей роль параметра порядка. Напр., в случае критич. точки на кривой равновесия жидкость - пар это - отклонение плотности от среднего значения. При движения по критич. изохоре со стороны высоких темп-р газ однороден, и эта величина равна нулю. Ниже критической температуры вещество расслаивается на две фазы, в каждой из к-рых отклонение плотности от критической не равно нулю. Поскольку вблизи точки Ф. п. II рода фазы мало отличаются друг от друга, возможно образование зародышей большого размера одной фазы в другой (флуктуации), точно так же, как вблизи критич. точки. С этим связаны многие критич. явления при Ф. п. II рода: бесконечный рост магнитной восприимчивости ферромагнетиков и диэлектрической постоянной сегнетоэлектриков (аналогом является рост сжимаемости вблизи критич. точка жидкость-пар), бесконечный рост теплоёмкости, аномальное рассеяние электромагнитных волн [световых в жидкости и паре, рентгеновских в твёрдых телах], нейтронов в ферромагнетиках. Существенно меняются и динамические явления, что связано с очень медленным рассасыванием образовавшихся флуктуации. Напр., вблизи критич. точки жидкость-пар сужается линия рэлеевского рассеяния света, вблизи Кюри точки ферромагнетиков и Нееля точки антиферромагнетиков замедляется спиновая диффузия и т. д. Ср. размер флуктуации (радиус корреляции) R растёт по мере приближения к точке Ф. п. II рода и становится в этой точке бесконечно большим.

Современные достижения теории Ф. п. II рода и критических явлений основаны на гипотезе подобия. Предполагается, что если принять R за единицу измерения длины, а ср. величину параметра порядка ячейки с ребром R - за единицу измерения параметра порядка, то вся картина флуктуации не будет зависеть ни от близости к точке перехода, ни от конкретного вещества. Все термодинамич. величины являются степенными функциями R. Показатели степеней называют критическими размерностями (индексами). Они не зависят от конкретного вещества и определяются лишь характером параметра порядка. Напр., размерности в точке Кюри изотропного материала, параметром порядка к-рого является вектор намагниченности, отличаются от размерностей в критич. точке жидкость - пар или в точке Кюри одноосного магнетика, где параметр порядка - скалярная величина.

Вблизи точки перехода уравнение состояния имеет характерный вид закона соответственных состояний. Напр., вблизи критич. точки жидкость-пар отношение (р - р к) / (р ж - р г) зависит только от (р - р к) / (р ж - р г)*К Т (здесь р - плотность, р к - критич. плотность, р ж - плотность жидкости, р г - плотность газа, р - давление, р к - критическое давление, К Т - изотермическая сжимаемость), причём вид зависимости при подходящем выборе масштаба один и тот же для всех жидкостей.

Достигнуты большие успехи в теоретич. вычислении критич. размерностей и уравнений состояния в хорошем согласии с экспериментальными данными.

Дальнейшее развитие теории Ф. п. II рода связано с применением методов квантовой теории поля, в особенности метода ренормалиэационной группы. Этот метод позволяет, в принципе, найти критические индексы с любой требуемой точностью.

Деление Ф. п. на два рода несколько условно, т. к. бывают Ф. п. I рода с малыми скачками теплоёмкости и др. величин и малыми теплотами перехода при сильно развитых флуктуациях. Ф. п.- коллективное явление, происходящее при строго определённых значениях темп-ры и др. величин только в системе, имеющей в пределе сколь угодно большое число частиц.

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика, 2 изд., М., 1964 (Теоретическая физика, т. 5); Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М., Курс общей физики. Механика и молекулярная физика, 2 изд., М., 1969; Бpayт Р., Фазовые переходы, пер. с англ., М., 1967; Фишер М., Природа критического состояния, пер. с англ., М., 1968; Стенли Г., Фазовые переходы и критические явления, пер. с англ., М., 1973; Анисимов М. А., Исследования критических явлений в жидкостях, "Успехи физических наук", 1974, т. 114, в. 2; Паташинский А. 3., Покровский В. Л., Флуктуационная теория фазовых переходов, М., 1975; Квантовая теория поля и физика фазовых переходов, пер. с англ., М., 1975 (Новости фундаментальной физики, вып. 6); Вильсон К., Когут Д ж., Ренормализационная группа и s-разложение, пер. с англ., М., 1975 (Новости фундаментальной физики, в. 5).

В. Л. Покровский.

По материалам БСЭ.

Понятие фаза в термодинамике рассматривают в более широком смысле, чем агрегатные состояния. Согласно , под фазой в термодинамике понимают термодинамически равновесное состояние вещества, отличающееся по физическим свойствам от других возможных равновесных состояний того же вещества . Иногда неравновесное метастабильное состояние вещества также называют фазой, но метастабильной. Фазы вещества могут отличаться характером движения структурных частиц и наличием или отсутствием упорядоченной структуры. Различные кристаллические фазы могут отличаться друг от друга типом кристаллической структуры, электропроводностью, электрическими и магнитными свойствами и др. Жидкие фазы отличаются друг от друга концентрацией компонентов, наличием или отсутствием сверхпроводимости и т.п.

Переход вещества из одной фазы в другую называется фазовым переходом . К фазовым переходам относятся явления парообразования и плавления, конденсации и кристаллизации и др.. В двухфазной системе фазы находятся в равновесии при одной и той же температуре. При увеличении объёма некоторая часть жидкости превращается в пар, но при этом для поддержания температуры неизменной необходимо извне передать некоторое количество теплоты. Таким образом, для осуществления перехода из жидкой фазы в газообразную системе необходимо передать теплоту без изменения температуры системы. Эта теплота идёт на изменение фазового состояния вещества и называется теплотой фазового превращения или скрытой теплотой перехода . С повышением температуры скрытая теплота перехода фиксированной массы вещества уменьшается, а при критической температуре она равна нулю. Для характеристики фазового перехода используют удельную теплоту фазового перехода. Удельной теплотой фазового перехода называется количество скрытой теплоты, приходящейся на единицу массы вещества.

Фазовые переходы с поглощением или выделением скрытой теплоты перехода называются фазовыми переходами первого рода . При этом внутренняя энергия и плотность изменяются скачком. При переходе из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное состояние энтропия увеличивается. В таблице приведены фазовые переходы первого рода и их основные характеристики.

Таблица. Фазовые переходы первого рада и их основные характеристики .

Фазовый переход

Направление перехода

Скрытая теплота перехода

Изменение энтропии при фазовом переходе

Парообразование

Жидкость  пар

L П – удельная теплота парообразования,

т- масса жидкости, переведённой в пар.

Энтропия возрастает

Конденсация

Пар  жидкость

, где

L КОН – величина удельной теплоты конденсации,

т- масса пара, переведённого в жидкость

Энтропия убывает

ΔS кр < 0

Плавление

Твёрдое тело жидкость

, где

L ПЛ – удельная теплота плавления,

т- масса твёрдого тела, переведённого в жидкость

Энтропия возрастает

ΔS пл > 0

Кристаллизация

Жидкость  твёрдое тело

, где

L КР

т- масса жидкости, переведённой в твёрдое тело - кристалл

Энтропия убывает

ΔS кр < 0

Сублимация

(или возгонка)

Твёрдое тело  Пар

, где

L С – удельная теплота сублимации,

т- масса твёрдого тела, переведённого в пар

Энтропия возрастает

Десублимация

(Кристаллизация минуя жидкую фазу)

Пар  твёрдое тело

(минуя жидкую фазу)

, где

L КР – величина удельной теплоты кристаллизации,

т- масса пара, переведённого в твёрдое тело - кристалл

Энтропия убывает

ΔS кр < 0

Существует связь между давлением, при котором находится в равновесии двухфазная система, и температурой при фазовых переходах первого рода. Эта связь описывается . Рассмотрим вывод этого уравнения для закрытых систем. Если число частиц в системе постоянно, то изменение внутренней энергии, согласно первому началу термодинамики, определяется выражением: . Равновесие между фазами наступит при условии, что Т 1 = Т 2 и Р 1 = Р 2 . Рассмотрим бесконечно малый обратимый цикл Карно (рис.6.8), изотермы которого соответствуют состоянию двухфазной системы при температурах Т и dT . Поскольку параметры состояния при этом изменяются бесконечно мало, изотермы и адиабаты на рис.6.8 изображены прямыми. Давление в таком цикле изменяется на величину dP . Работа системы за цикл определяется формулой:
. Предположим, что цикл реализован для системы масса вещества которой равна единице. Коэффициент полезного действия такого элементарного цикла Карно можно определить по формулам:
или
, гдеL П – удельная теплота парообразования. Приравнивая правые части этих равенств, и подставив выражение работы через давление и объём, получим:
. Соотнесём изменение давления с изменением температуры и получим:

(6.23)

Уравнение (6.23) называется уравнением Клапейрона – Клаузиуса . Анализируя это уравнение, можно заключить, что с ростом температуры давление увеличивается. Это следует из того, что
, а значит и
.

Уравнение Клапейрона – Клаузиуса применимо не только к переходу «жидкость – пар». Оно применимо ко всем переходам первого рода. В общем виде его можно записать так:

(6.24)

Используя уравнение Клапейрона – Клаузиуса можно представить диаграмму состояний системы в координатах Р,Т (рис.6.9). На этой диаграмме кривая 1 – кривая сублимации. Она соответствует равновесному состоянию двух фаз: твёрдой и парообразной. Точки, лежащие слева от этой кривой характеризуют однофазное твёрдое состояние. Точки, лежащие справа, характеризуют парообразное состояние. Кривая 2 – кривая плавления. Она соответствует равновесному состоянию двух фаз: твёрдой и жидкой. Точки, лежащие слева от этой кривой характеризуют однофазное твёрдое состояние. Точки, лежащие справа от неё до кривой 3, характеризуют жидкое состояние. Кривая 3 – кривая парообразования. Она соответствует равновесному состоянию двух фаз: жидкой и парообразной. Точки, лежащие слева от этой кривой характеризуют однофазное жидкое состояние. Точки, лежащие справа, характеризуют парообразное состояние. Кривая 3, в отличии от кривых 1 и 2, ограничена с двух сторон. С одной стороны – тройной точкой Тр , с другой стороны - критической точкой К (рис.6.9). Тройная точка описывает равновесное состояние сразу трёх фаз: твёрдой, жидкой и парообразной.