2. Transizioni di fase del primo e del secondo tipo………………………..4
3. Gas ideale……………………………………………………………….7
4. Gas reale…………………………………………………………....8
5. Teoria molecolare-cinetica dei fenomeni critici….….9
6. Superfluidità…………………………………………………………..11
7. Superconduttività…………………………………………………..13
7.1 Scoperta della superconduttività………………….…...13
7.2 Interazione elettrone - fonone……………..14
7.3 Superconduttori di prima e seconda specie………...16
7.4 Ricetta per realizzare un superconduttore…………….17
7.5 Precauzioni di sicurezza……………………………………….18
7.6 L'effetto Meisner…………………………………………………………………………………20
8. Conclusione…………………………….……………………….22
9. Riferimenti………………………………………………….25
1. Introduzione.
Le fasi sono chiamate parti diverse omogenee dei sistemi fisico-chimici. Una sostanza è omogenea quando tutti i parametri dello stato della sostanza sono gli stessi in tutti i suoi volumi, le cui dimensioni sono grandi rispetto agli stati interatomici. Miscele di gas diversi formano sempre una fase se si trovano nella stessa concentrazione in tutto il volume.
La stessa sostanza, a seconda delle condizioni esterne, può trovarsi in uno dei tre stati di aggregazione: liquido, solido o gassoso. A seconda delle condizioni esterne, può essere in una fase o in più fasi contemporaneamente. Nella natura che ci circonda, osserviamo particolarmente spesso le transizioni di fase dell'acqua. Ad esempio: evaporazione, condensazione. Esistono condizioni di pressione e temperatura in cui la sostanza è in equilibrio in diverse fasi. Ad esempio, quando si liquefa un gas in uno stato di equilibrio di fase, il volume può essere qualsiasi cosa e la temperatura di transizione è correlata alla pressione del vapore di saturazione. Le temperature alle quali si verificano le transizioni da una fase all'altra sono chiamate temperature di transizione. Dipendono dalla pressione, anche se in misura diversa: il punto di fusione è più debole, la temperatura di vaporizzazione e di sublimazione è più forte. A pressione normale e costante, la transizione avviene ad una certa temperatura, e qui hanno luogo la fusione, l'ebollizione e la sublimazione (o sublimazione). La sublimazione è il passaggio di una sostanza da uno stato solido a uno gassoso, che può essere osservato, ad esempio, nei gusci delle code cometarie. Quando una cometa è lontana dal Sole, quasi tutta la sua massa è concentrata nel suo nucleo, che misura 10-12 chilometri. Il nucleo, circondato da un piccolo guscio di gas, è la cosiddetta testa di una cometa. Quando ci si avvicina al Sole, il nucleo e i gusci della cometa iniziano a riscaldarsi, la probabilità di sublimazione aumenta e la desublimazione diminuisce. I gas che fuoriescono dal nucleo della cometa trascinano particelle solide, la testa della cometa aumenta di volume e diventa gas e polvere in composizione.
2. Transizioni di fase del primo e del secondo tipo.
Le transizioni di fase sono di diversi tipi. I cambiamenti negli stati aggregati di una sostanza sono chiamati transizioni di fase del primo ordine se:
1) La temperatura è costante durante l'intera transizione.
2) Il volume del sistema sta cambiando.
3) L'entropia del sistema cambia.
Perché avvenga una tale transizione di fase, è necessario che una data massa di sostanza rivesti una certa quantità di calore corrispondente al calore latente di trasformazione. Infatti, durante il passaggio dalla fase condensata ad una fase a densità inferiore, deve essere impartita una certa quantità di energia sotto forma di calore, che andrà a distruzione reticolo cristallino(durante la fusione) o per rimuovere le molecole liquide l'una dall'altra (durante la vaporizzazione). Durante la trasformazione, il calore latente andrà alla trasformazione delle forze coesive, l'intensità del movimento termico non cambierà, di conseguenza la temperatura rimarrà costante. Con una tale transizione, il grado di disordine, e quindi l'entropia, aumenta. Se il processo va a direzione inversa, quindi viene rilasciato calore latente. Le transizioni di fase del primo tipo includono: la trasformazione di un solido in un liquido (fusione) e il processo inverso (cristallizzazione), liquido in vapore (evaporazione, ebollizione). Una modifica cristallina - a un'altra (trasformazioni polimorfiche). Le transizioni di fase del secondo tipo includono: la transizione di un normale conduttore a uno stato superconduttore, da elio-1 a superfluido elio-2, un ferromagnete a un paramagnete. Metalli come ferro, cobalto, nichel e gadolinio si distinguono per la loro capacità di essere altamente magnetizzati e di mantenere a lungo uno stato di magnetizzazione. Sono chiamati ferromagneti. La maggior parte dei metalli (metalli alcalini e alcalino terrosi e una parte significativa dei metalli di transizione) sono debolmente magnetizzati e non mantengono questo stato al di fuori di un campo magnetico: si tratta di paramagneti. Le transizioni di fase del secondo, terzo e così via sono associate all'ordine di quelle derivate del potenziale termodinamico ∂f che subiscono misure finite nel punto di transizione.Tale classificazione delle trasformazioni di fase è associata al lavoro del fisico teorico Paolo Ernesto (1880 -1933). Quindi, nel caso di una transizione di fase del secondo ordine, i derivati del secondo ordine subiscono salti nel punto di transizione: capacità termica a pressione costante Cp \u003d -T (∂f 2 / ∂T 2), comprimibilità β \u003d - (1 / V 0) (∂ 2 f / ∂p 2), coefficiente di dilatazione termica α=(1/V 0)(∂ 2 f/∂Tp), mentre le derivate prime rimangono continue. Ciò significa che non vi è rilascio (assorbimento) di calore e nessuna variazione del volume specifico (φ - potenziale termodinamico).
Lo stato di equilibrio di fase è caratterizzato da una certa relazione tra la temperatura e la pressione di trasformazione di fase. Numericamente, questa dipendenza per le transizioni di fase è data dall'equazione di Clausius-Clapeyron: Dp/DT=q/TDV. La ricerca a basse temperature è una branca molto importante della fisica. Il fatto è che in questo modo è possibile eliminare le interferenze legate al movimento caotico termico e studiare i fenomeni in forma “pura”. Ciò è particolarmente importante nello studio delle regolarità quantistiche. Di solito, a causa del movimento termico caotico, una quantità fisica viene mediata su un gran numero dei suoi diversi valori e i salti quantici vengono "sbavati".
Basse temperature (temperature criogeniche), in fisica e tecnologia criogenica, l'intervallo di temperatura è inferiore a 120°K (0°C=273°K); il lavoro di Carnot (ha lavorato su una macchina termica) e Clausius ha gettato le basi per la ricerca sulle proprietà di gas e vapori, o termodinamica tecnica. Nel 1850 Clausius notò che il vapore acqueo saturo si condensa parzialmente durante l'espansione e si surriscalda durante la compressione. Renu ha dato un contributo speciale allo sviluppo di questa disciplina scientifica. Il volume intrinseco delle molecole di gas a temperatura ambiente è circa un millesimo del volume occupato dal gas. Inoltre, le molecole sono attratte l'una dall'altra a distanze maggiori di quelle da cui inizia la loro repulsione.
Uguale ai valori specifici dell'entropia, presi con segno opposto, e del volume: (4.30) Se in punti che soddisfano l'equilibrio di fase: , le derivate prime del potenziale chimico per diverse fasi subiscono una discontinuità: , ( 4.31) dicono che il sistema termodinamico sta vivendo una transizione di fase del 1° tipo. Le transizioni di fase del primo tipo sono caratterizzate dalla presenza di calore latente della transizione di fase, ...
Contro i sovraccarichi, zero e massima protezione. - prevedere la sosta delle navi in punti intermedi del tronco. segnalazione luminosa delle modalità di funzionamento dell'unità di sollevamento nell'edificio della macchina di sollevamento, dall'operatore del dispositivo di carico, dallo spedizioniere. I moderni azionamenti elettrici CC regolabili per impianti di sollevamento automatizzati si basano su motori CC ...
44,5 cm, c = 12 cm, a = 20 cm, l = 8 cm L'azione della forza del sistema magnetico è stata stimata di un valore pari al prodotto del modulo di campo H e del suo gradiente. Si è riscontrato che la distribuzione del modulo di campo H del sistema magnetico in esame è caratterizzata da una pronunciata dipendenza angolare. Pertanto il calcolo del modulo di campo H è stato effettuato con passo di 1° per punti posti su due archi diversi per tutti...
Il sistema consiste nell'ottenere il suo “ritratto di fase” (Volkenshtein, 1978). Consente di rivelare gli stati stazionari del sistema e la natura della sua dinamica quando devia da essi. Il metodo dei ritratti di fase viene utilizzato in ingegneria per analizzare e prevedere il comportamento di sistemi fisici di varia complessità e in ecologia matematica per analizzare le dinamiche di popolazione (Volkenshtein, 1978; Svirezhev...
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_0.jpg" alt="(!LANG:> TRANSIZIONI DI FASE">!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_1.jpg" alt="(!LANG:>Principali tipi di transizioni di fase (classificazione fisica)">!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_2.jpg" alt="(!LANG:>Transizioni di fase con cambiamento dello stato di aggregazione bollente (condensazione ) fusione (cristallizzazione) sublimazione"> Фазовые переходы с изменением агрегатного состояния кипение (конденсация) плавление (кристаллизация) сублимация (конденсация) Все эти процессы сопровождаются резким изменением порядка атомной, молекулярной или ионной структуры вещества (в зависимости от его природы). Обычно с изменением температуры эти фазовые переходы идут по такой схеме: дальний порядок (кристаллическая твердая фаза) ближний порядок (жидкость) беспорядок (газ) Увеличение температуры Уменьшение температуры дальний порядок (кристаллическая твердая фаза) беспорядок (газ) Иногда по другой:!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_3.jpg" alt="(!LANG:>2. Transizioni di fase allotropiche (polimorfiche) Le transizioni di fase polimorfiche si verificano solo in aggregato solido"> 2. Аллотропические (полиморфные) фазовые переходы Полиморфные фазовые переходы происходят только в твердом агрегатном состоянии между различными кристаллическими модификациями одного и того же вещества. Почти у каждого !} elemento chimico o connessione ci sono diverse modifiche; ognuno di essi ha una propria struttura e determinate proprietà fisiche e chimiche. Una transizione di fase polimorfica è associata a un cambiamento nell'ordine della struttura atomica, molecolare o ionica di una sostanza (a seconda della sua natura) e, di conseguenza, a un cambiamento nelle proprietà fisico-chimiche. FP di questo tipo sono molto comuni nei sistemi reali. Cristallo di zolfo monoclino Cristallo di zolfo rombico 95.5оС
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_4.jpg" alt="(!LANG:>3. Transizioni di fase ferroelettriche Sono note sostanze per le quali, in determinate condizioni, forse alcune"> 3. Сегнетоэлектрические фазовые переходы Известны вещества, для которых при определенных условиях возможно некоторое упорядочение элементарных дипольных моментов даже при отсутствии внешнего !} campo elettrico. La temperatura alla quale ciò si verifica è chiamata temperatura della transizione di fase ferroelettrica o punto di Curie. La fase ferroelettrica è una fase con momenti di dipolo ordinati e la fase antiferroelettrica è con momenti disordinati. ВаTiO3 Le sostanze in cui possono verificarsi transizioni di fase ferroelettriche sono chiamate ferroelettriche.
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_5.jpg" alt="(!LANG:>4. Transizioni di fase magnetiche con assenza"> 4. Магнитные фазовые переходы Известна группа веществ, обладающих большой спонтанной намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля – это ферромагнетики. Для них возможно существование ферромагнитной и парамагнитной фаз. Ферромагнитная фаза соответствует упорядоченному состоянию элементарных магнитных моментов, парамагнитная – разупорядочению таких моментов. Элементарные магнитные моменты связаны со спиновыми магнитными моментами электронов; следовательно, упорядочение связано с электронной подсистемой вещества. Переход между этими фазами называют ферромагнитным ФП, а температуру, при которой он происходит – ферромагнитной температурой (точкой) Кюри.!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_6.jpg" alt="(!LANG:>5. Transizioni di fase ferroferromagnetiche Sono note sostanze che a determinate temperature si ordinano è osservato"> 5. Сегнетоферромагнитные фазовые переходы Известны вещества, у которых при определенных температурах наблюдается упорядочение как электрических, так и магнитных моментов. Такие вещества называют сегнетоферромагнетиками. Сегнетоферромагнитная фаза состоит из двух подсистем – электрической и магнитной, каждая из которых претерпевает переход при !} diverse temperature, pertanto, la transizione di fase ferroferromagnetica dovrebbe essere caratterizzata da due temperature di Curie (punti), ferroelettrica e ferromagnetica. Pertanto, l'intera transizione di fase avviene nell'intervallo di temperatura determinato dalla differenza tra le temperature di Curie ferroelettriche e ferromagnetiche. I sottosistemi elettrico e magnetico non possono essere considerati completamente indipendenti, poiché c'è una correlazione tra loro, anche se debole. Pertanto, le proprietà elettriche dei ferromagneti possono essere influenzate utilizzando quei fattori che agiscono sul sottosistema magnetico, ad esempio un campo magnetico e viceversa.
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_7.jpg" alt="(!LANG:>6. Transizioni allo stato superconduttore cosa è elettrico"> 6. Переходы в сверхпроводящее состояние Сущность явления сверхпроводимости состоит в том, что !} resistenza elettrica alcune sostanze nella regione delle basse temperature diventano quasi uguali a zero. All'aumentare della temperatura, questa proprietà scompare e la sostanza passa alla fase normale. La temperatura alla quale ciò si verifica è chiamata temperatura critica. Dipendenze dalla temperatura della resistenza dei metalli normali (N) e superconduttori (S).
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_8.jpg" alt="(!LANG:>Cronologia dell'aumento della temperatura di transizione superconduttore Struttura del superconduttore ad alta temperatura HgBa2CuO4+δ">!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_9.jpg" alt="(!LANG:>A una temperatura di 2,19 K, l'elio liquido si separa in due fasi – HeI e HeII."> При температуре 2,19 К жидкий гелий разделяется на две фазы – HeI и HeII. Сверхтекучесть, то есть способность жидкости течь без трения по очень тонким капиллярам, наблюдается для HeII. 7. Переходы в сверхтекучее состояние Аномальное течение HeII!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_10.jpg" alt="(!LANG:> sistema termodinamico possono verificarsi FP molto diversi. "> Come si può vedere dagli esempi considerati, in un sistema termodinamico possono verificarsi PT molto diversi. Ovviamente, per comprendere l'essenza dei PT, è necessario prima classificarli, e questa classificazione dovrebbe essere il più generale possibile, non portando il ricercatore a considerare molti casi particolari.Per considerare le regolarità generali del PT, è necessario introdurre quantità e funzioni che consentano di descrivere sia le singole fasi che il PT stesso nel suo insieme.Il modo più semplice per farlo è con una considerazione termodinamica del processo.
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_11.jpg" alt="(!LANG:>Classificazione termodinamica Ehrenfest delle transizioni di fase">!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_12.jpg" alt="(!LANG:>Prime derivate dell'energia di Gibbs Seconde derivate dell'energia di Gibbs e quantità fisiche ad essi associati">
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_13.jpg" alt="(!LANG:>Cambiamento delle proprietà termodinamiche durante le transizioni di fase del primo e del secondo tipo">!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_14.jpg" alt="(!LANG:>Teoria termodinamica delle transizioni di fase del primo tipo costituite da un individuo sostanza) eterogenea"> Термодинамическая теория фазовых переходов I рода Рассмотрим однокомпонентную (т.е. состоящую из индивидуального вещества) гетерогенную систему, состоящую из r фаз. В однокомпонентных системах отдельные фазы представляют собой одно и то же вещество в различных фазовых состояниях. Пусть система является является закрытой (суммарное число молей ∑nr=const), а основными параметрами ее состояния служат p и T. Основной термодинамической функцией, характеризующей состояние такой системы, является энергия Гиббса G.!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_15.jpg" alt="(!LANG:>Per ciascuna delle fasi r di questo sistema, possiamo scrivere giù i valori corrispondenti dei parametri termodinamici"> Для каждой из r фаз этой системы мы можем записать соответствующие значения термодинамических параметров и приписать ей химический потенциал: Фаза 1 – p1, T1, V1, S1, …, μ1; Фаза 2 – p2, T2, V2, S2, …, μ2; ………………………………… Фаза r – pr, Tr, Vr, Sr, …, μr. Состоянию равновесия отвечает равенство интенсивных параметров p, T и μ во всех фазах системы: T1=T2=...=Tr (условие термического равновесия); p1=p2=...=pr (условие механического равновесия) ; μ1= μ2=...= μr (условие химического равновесия). (здесь r=1,2,... равно числу фаз в системе).!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_16.jpg" alt="(!LANG:>Assumiamo per semplicità che solo 2 fasi."> Примем для упрощения, что в нашей однокомпонентной гетерогенной системе сосуществуют только 2 фазы. Условия равновесия для двухфазной системы: T1=T2; p1=p2; μ1= μ2. μ1(p,T)=μ2(p,T). Из определения химического потенциала, поэтому Давление и температура фазового перехода не являются независимыми переменными и должны быть связаны уравнением.!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_17.jpg" alt="(!LANG:>Otteniamo un'espressione esplicita per questa dipendenza. Teniamo conto che nei sistemi a componente singolo"> Получим явное выражение для этой зависимости. Примем во внимание, что в однокомпонентных системах, состоящих из чистого вещества i, химический потенциал равен энергии Гибсса одного моля этого вещества: μi=Gi. При T, p = const условие равновесия: G1=G2. В общем случае выражения для G=G(p,T) в интегральной форме не могут быть найдены. Поскольку G – это функция состояния системы, то ее дифференциал – это полный дифференциал. Мы можем получить уравнение в дифференциальной форме.!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_18.jpg" alt="(!LANG:>Basato sull'espressione G=U+pV-TS, dopo differenziazione otteniamo: dG=dU+pdV+Vdp-TdS-SdT Prendiamo in considerazione l'espressione"> Исходя из выражения G=U+pV-TS, после дифференцирования получим: dG=dU+pdV+Vdp-TdS-SdT. Примем во внимание выражение для объединенного I и II начала термодинамики dU=TdS-δA и соотношение δA=pdV; произведем замену: dG=TdS-pdV+pdV+Vdp-TdS-SdT. Мы получили выражение для полного дифференциала энергии Гиббса: dG=Vdp -SdT!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_19.jpg" alt="(!LANG:>La trasformazione della fase avviene a T,p=const ed è accompagnata da un cambio di volume da V1 a V2."> Фазовое превращение происходит при T,p=const и сопровождается изменением объема от V1 до V2. Пусть оно происходит для 1 моля индивидуального вещества, тогда V1 до V2 – это молярные объемы первой и второй фазы. Для изобарно-изотермических потенциалов в двух равновесных фазах 1 и 2: dG1=V1dp-S1dT dG2=V2dp-S2dT Вычитая верхнее уравнение из нижнего, получим: dG2 - dG1 =(V2 - V1) dp – (S2 - S1)dT. Изменения T и p здесь не являются независимыми; они такие, при которых сохраняется равновесие между фазами 1 и 2.!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_20.jpg" alt="(!LANG:>Quindi, tra T e p viene memorizzato connessione funzionale corrispondente all'equilibrio di fase. Pertanto, se "> Quindi, viene preservata una relazione funzionale tra T e p, corrispondente all'equilibrio di fase. Pertanto, se G1 \u003d G2 (equilibrio a T e p), allora G1 + dG1 \u003d G2 + dG2 (equilibrio a T + dT e p + dp). Allora dG1=dG2, o dG1-dG2 = 0. Pertanto, (V2 - V1) dp - (S2 - S1)dT=0 o. Teniamo presente che Qph.p è il calore di trasformazione di fase assorbito durante la transizione di 1 mole di una sostanza dalla fase 1 alla fase 2; ΔHf.p. è l'entalpia molare della transizione di fase.
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_21.jpg" alt="(!LANG:>Combinando le ultime due equazioni e denotando V2 -V1=ΔV ( differenza volumi molari due fasi), "> Combinando le ultime due equazioni e denotando V2 -V1 \u003d ΔV (differenza nei volumi molari di due fasi), otteniamo: Qui T è la temperatura di transizione di fase (ebollizione, fusione, trasformazione polimorfica, ecc.) Questa equazione è chiamata equazione di Clausius-Clapeyron ed è un'equazione termodinamica generale applicabile a tutte le transizioni di fase di sostanze pure che mostra come la temperatura di transizione di fase cambia con la pressione.
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_22.jpg" alt="(!LANG:>Transizione tra fasi condensate Per fusione (fase cristallina - transizione liquida)"> Переход между конденсированными фазами Для плавления (перехода кристаллическая фаза – жидкость) удобнее переписать уравнение Клаузиуса-Клапейрона в виде: , – изменение температуры плавления при изменении давления. где Если Vж>Vкр и ΔV>0, то с увеличением давления температура плавления повышается (большинства веществ). Если ΔV!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_23.jpg" alt="(!LANG:>Transizione liquido-vapore (evaporazione) Se condizioni di transizione di fase (p ,T) sono abbastanza lontani dal critico"> Переход жидкость – пар (испарение) Если условия фазового перехода (p,T) достаточно далеки от критической точки, то Vпар>>Vж, и тогда ΔV= Vпар-Vж≈ Vпар. Для 1 моля идеального газа. Тогда (ΔHисп – молярная энтальпия испарения), откуда Поскольку ΔHисп, R и T всегда положительны, то >0. C ростом T давление насыщенного пара над жидкостью всегда увеличивается.!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_24.jpg" alt="(!LANG:>Fase cristallina di transizione - vapore (sublimazione) L'equazione di Clausius-Clapeyron ha lo stesso aspetto ma"> Переход кристаллическая фаза – пар (сублимация) Уравнение Клаузиуса-Клапейрона имеет тот же вид, но вместо ΔHисп – энтальпия сублимации ΔHсуб:!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_25.jpg" alt="(!LANG:>A volte l'equazione di Clausius-Clapeyron per la transizione da una fase condensata ad uno gassoso si scrive in forma integrale:"> Иногда уравнение Клаузиуса-Клапейрона для перехода из конденсированной фазы в газообразную записывается в интегральном виде: Эта форма уравнения справедлива только для узкого интервала температур, в котором ΔH испарения или сублимации можно приближенно считать постоянной величиной. Строго говоря, это не так: зависимость Qp=ΔH изобарного процесса от температуры подчиняется закону Кирхгофа:!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_26.jpg" alt="(!LANG:>Quindi, siamo entrati nel differenziale (e per alcuni casi speciali - e nell'integrale)"> Итак, мы получили в дифференциальной (а для некоторых частных случаев – и в интегральной) форме математическое выражение, которые устанавливает строгую взаимосвязь между термодинамическими параметрами p и T, характеризующими равновесие между двумя различными фазами в однокомпонентной системе. Однако в общем случае нам неизвестен интегральный вид уравнений состояния различных фаз, даже для однокомпонентных систем. Исключением является лишь уравнение Менделеева-Клапейрона, применимое, когда компоненты газообразной фазы подчиняются законам идеальных газов, и ряд более или менее удачно подобранных, но довольно сложных уравнений, описывающих состояние реальных газов и реальных индивидуальных жидкостей.!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_27.jpg" alt="(!LANG:>Trasformazioni di fase del secondo tipo si verificano nei cristalli quando sono presenti difetti puntuali ordinato (quando la struttura cambia"> Фазовые превращения второго рода происходят в кристаллах при упорядочении точечных дефектов (когда изменения структуры минимальные), при превращении ферромагнитных веществ в парамагнитные, при переходе в сверхпроводящее и сверхтекучее состояние и т.д. Наиболее общей и полной термодинамической теорией ФП второго рода в настоящее время является теория Ландау, разработанная им в 1937 г. Теория фазовых переходов II рода!}
Src="https://present5.com/presentacii/20170502/Lekcija_4-5.ppt_images/Lekcija_4-5.ppt_28.jpg" alt="(!LANG:>Nella teoria di Landau, si presume che le singole fasi di il sistema differiscono tra loro proprietà fisiche,"> В теории Ландау предполагается, что отдельные фазы системы отличаются друг от друга физическими свойствами, изменение которых характеризуют некоторые дополнительные параметры. Т.е., кроме обычных термодинамических параметров (T и p для G), для термодинамического потенциала вводят еще параметры η1, η2 … ηn, которые называют параметрами упорядочения соответствующих подсистем. Пусть фаза имеет только один параметр упорядочения η. Параметр упорядочения характеризует !} stato fisico una fase separata e di solito è scelto in modo tale che per una fase sia uguale a 0, e per la seconda sia diverso da zero. La fase per cui η=0 è convenzionalmente chiamata fase disordinata e la fase con η≠0 è chiamata ordinata. In questa interpretazione, il passaggio di fase è associato al passaggio del sistema da uno stato ordinato a uno disordinato.
TRANSIZIONE DI FASE, trasformazione di fase, in senso lato - la transizione di una sostanza da una fasi a un altro quando cambiano le condizioni esterne: temperatura, pressione, magnetiche ed elettriche. campi, ecc.; in senso stretto - un brusco cambiamento nel fisico. proprietà con un continuo cambiamento dei parametri esterni. La differenza tra le due interpretazioni del termine "F. p." visto dal seguente esempio. In senso stretto, il passaggio di una sostanza dalla fase gassosa a quella plasmatica (cfr. Plasma) non è un F. p., poiché ionizzazione il gas avviene gradualmente, ma in senso lato è F. p. In questo articolo, il termine "F. p." considerata in senso stretto.
Il valore di temperatura, pressione o k.-l. un altro fisico Le quantità alle quali si verifica una transizione di fase sono chiamate punto di transizione.
Ci sono F. p. di due tipi. Durante F.p. del primo tipo, tali condizioni termodinamiche cambiano bruscamente. caratteristiche di una sostanza, come densità, concentrazione dei componenti; in un'unità di massa viene rilasciata o assorbita una quantità ben definita di calore, che viene chiamata. calore di transizione. Con F. p. del secondo tipo di una specie di fisico. un valore uguale a zero su un lato del punto di transizione aumenta gradualmente (da zero) man mano che ci si allontana dal punto di transizione all'altro lato. In questo caso la densità e le concentrazioni cambiano continuamente, il calore non viene rilasciato o assorbito.
F. p. è un fenomeno diffuso in natura. I fenomeni fonici del primo tipo includono: evaporazione e condensazione, fusione e solidificazione, sublimazione e condensazione in una fase solida e alcune transizioni strutturali nei solidi, per esempio. formazione scolastica martensite in una lega ferro-carbonio. A antiferromagneti con un asse di magnetizzazione dei sottoreticoli magnetici Una transizione di fase del primo tipo si verifica in un campo magnetico esterno diretto lungo l'asse. Ad un certo valore del campo, i momenti dei sottoreticoli magnetici vengono ruotati perpendicolarmente alla direzione del campo (si verifica il "ribaltamento" del sottoreticolo). Nei superconduttori puri, un campo magnetico induce una transizione di fase del primo tipo dallo stato superconduttore allo stato normale. .
In zero Assoluto temperatura e un volume fisso, la fase con il valore di energia più basso è termodinamicamente equilibrio. Una transizione di fase del primo tipo in questo caso si verifica a quei valori di pressione e campi esterni in cui vengono confrontate le energie di due diverse fasi. Se non aggiusti il volume del corpo V, e la pressione R, quindi in uno stato termodinamico. equilibrio, il minimo è l'energia di Gibbs F (o G), e nel punto di transizione in equilibrio di fase ci sono fasi con gli stessi valori di F .
Molte sostanze a basse pressioni cristallizzano in strutture poco confezionate. Ad esempio, cristallino idrogenoè costituito da molecole situate a distanze relativamente grandi l'una dall'altra; struttura grafiteè una serie di strati distanti di atomi di carbonio. A pressioni sufficientemente elevate, tali strutture sciolte corrispondono a valori elevati dell'energia di Gibbs. Valori inferiori di Ф in queste condizioni corrispondono a fasi ravvicinate di equilibrio. Pertanto, ad alte pressioni, la grafite si trasforma in diamante, e cristallino molecolare. l'idrogeno deve entrare nell'atomico (metallo). liquidi quantistici 3 He e 4 He rimangono liquidi a pressione normale fino alle temperature più basse raggiunte (T ~ 0,001 K). La ragione di ciò è la debole interazione delle particelle e la grande ampiezza delle loro oscillazioni a temp-pax vicine all'ass. zero (le cosiddette oscillazioni zero ). Tuttavia, un aumento della pressione (fino a 20 ATM a T = 0 K) porta alla solidificazione dell'elio liquido. A temp-pax diversi da zero e date pressione e temperatura, la fase di equilibrio è ancora la fase con l'energia minima di Gibbs (l'energia minima, da cui vengono sottratti il lavoro delle forze di pressione e la quantità di calore riportata al sistema) .
Per F. p. del primo tipo è caratteristica l'esistenza di una regione di equilibrio metastabile vicino alla curva di F. p. del primo tipo (ad esempio, un liquido può essere riscaldato a una temperatura superiore al punto di ebollizione o superraffreddato al di sotto del punto di congelamento). Stati metastabili esistono da parecchio tempo, poiché la formazione di una nuova fase con un valore di F inferiore (termodinamicamente più favorevole) inizia con la comparsa dei nuclei di questa fase. Il guadagno del valore Φ durante la formazione di un nucleo è proporzionale al suo volume e la perdita è proporzionale alla superficie (al valore energia superficiale). I piccoli embrioni risultanti aumentano F, e quindi, con una probabilità schiacciante, diminuiranno e scompariranno. Tuttavia, i nuclei che hanno raggiunto una certa dimensione critica crescono e l'intera sostanza passa in una nuova fase. La formazione dell'embrione è fondamentale. la dimensione è un processo molto improbabile e si verifica abbastanza raramente. La probabilità di formazione dei nuclei è critica. la dimensione aumenta se la sostanza contiene inclusioni macroscopiche estranee. dimensioni (ad es. particelle di polvere in un liquido). chiudere punto critico la differenza tra le fasi di equilibrio e l'energia superficiale diminuisce, si formano facilmente nuclei di grandi dimensioni e forme bizzarre, che influiscono sulle proprietà della sostanza .
Esempi di tipo F. p. II - l'aspetto (in ogni caso al di sotto di una certa temperatura) di un momento magnetico in un magnete durante il paramagnete di transizione - ferromagnete, ordinamento antiferromagnetico durante il paramagnete di transizione - antiferromagnete, comparsa di superconduttività in metalli e leghe, presenza di superfluidità in 4 He e 3 He, ordinamento delle leghe, comparsa di polarizzazione spontanea (spontanea) della materia durante la transizione del paraelettrico ferroelettrico eccetera.
L.D. Landò(1937) ha proposto un'interpretazione generale di tutti i PT del secondo tipo come punti di cambiamento di simmetria: al di sopra del punto di transizione, il sistema ha una simmetria maggiore rispetto al punto di transizione. Ad esempio, in un magnete sopra il punto di transizione della direzione dei momenti magnetici elementari (gira) le particelle sono distribuite casualmente. Pertanto, la rotazione simultanea di tutti i giri non cambia il fisico. proprietà di sistema. Al di sotto dei punti di transizione, i dorsi hanno un orientamento preferenziale. La loro rotazione simultanea cambia la direzione del momento magnetico del sistema. Altro esempio: in una lega bicomponente, i cui atomi A e B situato ai nodi di una cubica semplice reticolo cristallino, lo stato disordinato è caratterizzato da una distribuzione caotica degli atomi L e B sui siti del reticolo, in modo che uno spostamento del reticolo di un periodo non ne modifichi le proprietà. Sotto il punto di transizione, gli atomi di lega sono ordinati: ...ABAB... Uno spostamento di un tale reticolo di un periodo porta alla sostituzione di tutti gli atomi A con B o viceversa. Come risultato dell'instaurazione dell'ordine nella disposizione degli atomi, la simmetria del reticolo diminuisce.
La simmetria stessa appare e scompare improvvisamente. Tuttavia, il valore che caratterizza l'asimmetria (parametro d'ordine) può variare continuamente. Per una transizione di fase del secondo tipo, il parametro d'ordine è uguale a zero al di sopra del punto di transizione e al punto di transizione stesso. In modo simile si comporta, ad esempio, il momento magnetico di un ferromagnete, elettrico. polarizzazione di un ferroelettrico, densità della componente superfluida nel liquido 4 He, probabilità di rivelare un atomo MA nel corrispondente sito del cristallo. grigliati in lega bicomponente, ecc.
L'assenza di salti di densità, concentrazione e calore di transizione è caratteristica della fase II del secondo tipo. Ma esattamente la stessa immagine si osserva nella critica. punto sulla curva F. p. del primo tipo . La somiglianza è molto profonda. Quasi critico punto, lo stato della materia può essere caratterizzato da una quantità che svolge il ruolo di parametro d'ordine. Ad esempio, nel caso di un critico punti sulla curva di equilibrio liquido-vapore sono la deviazione della densità dal valore medio. Quando ci si sposta lungo il critico isocore dal lato delle alte temperature il gas è omogeneo e questo valore è uguale a zero. Sotto temperatura critica la sostanza si separa in due fasi, in ciascuna delle quali lo scostamento della densità da quella critica non è uguale a zero. Poiché le fasi differiscono poco l'una dall'altra vicino al punto delle fasi della fase II, è possibile formare grandi nuclei di una fase nell'altra. (fluttuazioni), allo stesso modo di quasi critico. punti. Molte critiche sono associate a questo. fenomeni durante F. p. del secondo tipo: un aumento infinito della suscettibilità magnetica dei ferromagneti e della costante dielettrica dei ferroelettrici (un analogo è l'aumento della compressibilità vicino al punto critico del liquido-vapore), un aumento infinito della capacità termica , dispersione anomala di onde elettromagnetiche [di luce nel liquido e nel vapore , Raggi X nei solidi], neutroni nei ferromagneti. Anche i fenomeni dinamici cambiano in modo significativo, il che è associato a un assorbimento molto lento delle fluttuazioni risultanti. Ad esempio, vicino al critico punto liquido-vapore restringe la linea di Rayleigh dispersione di luce, vicino Punti curie ferromagneti e Punti Neel antiferromagneti, la diffusione dello spin rallenta ecc. Cfr. dimensione della fluttuazione (raggio di correlazione) R aumenta man mano che ci avviciniamo al punto del secondo tipo F. p. e diventa infinitamente grande a questo punto.
I progressi moderni nella teoria dei fenomeni funzionali del secondo tipo e dei fenomeni critici si basano sull'ipotesi della somiglianza. Si presume che se accettiamo R per unità di lunghezza e cfr. il valore del parametro order della cella con il bordo R- per unità di misura del parametro dell'ordine, l'intero schema delle fluttuazioni non dipenderà né dalla vicinanza al punto di transizione, né dalla sostanza specifica. Tutto termodinamico. le quantità sono funzioni di potere R. Gli esponenti sono chiamati dimensioni critiche (indici). Non dipendono da una sostanza specifica e sono determinati solo dalla natura del parametro dell'ordine. Ad esempio, le dimensioni nel punto di Curie di un materiale isotropo, il cui parametro d'ordine è il vettore di magnetizzazione, differiscono dalle dimensioni nel punto critico. punto liquido - vapore o nel punto Curie di un magnete uniassiale, dove il parametro dell'ordine è un valore scalare.
Vicino al punto di transizione equazione di stato ha una forma caratteristica di diritto stati corrispondenti. Ad esempio, vicino al critico rapporto liquido-vapore puntuale (p - p k) / (p f - p g) dipende solo da (p - p c) / (p f - p g) * KT(qui p è la densità, p k è la densità critica, p f è la densità del liquido, p g è la densità del gas, R - pressione, p a - pressione critica, K T - isotermico comprimibilità), inoltre il tipo di dipendenza con opportuna scelta di bilancia è lo stesso per tutti i liquidi .
Grandi progressi sono stati fatti in teoria calcolo critico. dimensioni ed equazioni di stato sono in buon accordo con i dati sperimentali.
L'ulteriore sviluppo della teoria delle FP del secondo tipo è connesso all'applicazione dei metodi della teoria quantistica dei campi, in particolare del metodo del gruppo di rinormalizzazione. Questo metodo consente, in linea di principio, di trovare indici critici con la precisione richiesta.
La divisione delle transizioni di fase in due tipi è alquanto arbitraria, poiché esistono transizioni di fase del primo tipo con piccoli salti di capacità termica e altre quantità e piccoli calori di transizione con fluttuazioni altamente sviluppate. F. p. - un fenomeno collettivo che si verifica sotto rigorosamente determinati valori temperature e altre quantità solo in un sistema che ha un arbitrario gran numero particelle.
Lett.: Landau L. D., Lifshits E. M., Statistical Physics, 2a ed., M., 1964 (Theoretical Physics, vol. 5); Landau L. D., Akhiezer A. I., Lifshits E. M., Corso di fisica generale. Meccanica e fisica molecolare, 2a ed., M., 1969; Bpayt R., Transizioni di fase, trad. dall'inglese, M., 1967;Fisher M., Natura condizione critica, per. dall'inglese, M., 1968; Stanley G., Transizioni di fase e fenomeni critici, trad. dall'inglese, M., 1973; Anisimov M. A., Studi sui fenomeni critici nei liquidi, "Progressi nelle scienze fisiche", 1974, v. 114, c. 2; Patashinsky A. 3., Pokrovsky V. L., Teoria della fluttuazione delle transizioni di fase, M., 1975; Teoria dei quanti campi e fisica delle transizioni di fase, trad. dall'inglese, M., 1975 (News fisica fondamentale, problema. 6); Wilson K., Kogut J., Gruppo di rinormalizzazione ed espansione s, trad. da inglese, M., 1975 (News of Fundamental Physics, v. 5).
A. L. Pokrovskij.
Secondo i materiali della BSE.
concetto fase in termodinamica sono considerati in un senso più ampio degli stati aggregati. Secondo, sotto fase in termodinamica, comprendono lo stato di equilibrio termodinamico di una sostanza, che differisce nelle proprietà fisiche da altri possibili stati di equilibrio della stessa sostanza. A volte uno stato metastabile di non equilibrio di una sostanza è anche chiamato fase, ma metastabile. Le fasi di una sostanza possono differire per la natura del movimento delle particelle strutturali e per la presenza o assenza di una struttura ordinata. Diverse fasi cristalline possono differire l'una dall'altra per il tipo di struttura cristallina, conducibilità elettrica, proprietà elettriche e magnetiche, ecc. Le fasi liquide differiscono l'una dall'altra per la concentrazione di componenti, la presenza o assenza di superconduttività, ecc.
Viene chiamato il passaggio di una sostanza da una fase all'altra transizione di fase . Le transizioni di fase comprendono i fenomeni di vaporizzazione e fusione, condensazione e cristallizzazione, ecc. In un sistema a due fasi, le fasi sono in equilibrio alla stessa temperatura. Con un aumento di volume, parte del liquido si trasforma in vapore, ma allo stesso tempo, per mantenere inalterata la temperatura, è necessario trasferire una certa quantità di calore dall'esterno. Pertanto, per effettuare il passaggio dalla fase liquida al sistema gassoso, è necessario trasferire calore senza modificare la temperatura del sistema. Questo calore viene utilizzato per modificare lo stato di fase della materia e viene chiamato calore di trasformazione di fase o calore latente di transizione . All'aumentare della temperatura, il calore latente di transizione di una massa fissa di materia diminuisce e alla temperatura critica è uguale a zero. Per caratterizzare la transizione di fase, viene utilizzato il calore specifico della transizione di fase. Calore specifico di transizione di fase è la quantità di calore latente per unità di massa di una sostanza.
Sono chiamate transizioni di fase con assorbimento o rilascio di calore di transizione latente transizioni di fase del primo ordine . In questo caso, l'energia interna e la densità cambiano bruscamente. Quando si passa da uno stato più ordinato a uno stato meno ordinato, l'entropia aumenta. La tabella elenca le transizioni di fase del primo ordine e le loro caratteristiche principali.
Tavolo. Transizioni di fase del primo rad e loro caratteristiche principali .
|
transizione di fase |
Direzione di transizione |
Calore latente di transizione |
Cambiamento di entropia durante una transizione di fase |
|
vaporizzazione |
liquido vapore |
l Pè il calore specifico di vaporizzazione, t- massa di liquido convertita in vapore. |
L'entropia aumenta |
|
Condensazione |
Vapore liquido |
l KOHè il valore del calore specifico di condensazione, t- massa di vapore convertita in liquido |
ΔS cre< 0 |
|
Fusione |
Solido liquido |
l PLè il calore specifico di fusione, t- massa di un corpo solido convertita in liquido |
L'entropia aumenta ΔS pl > 0 |
|
Cristallizzazione |
liquido solido |
l KR t- la massa di un liquido convertito in un corpo solido - un cristallo |
ΔS cre< 0 |
|
sublimazione (o sublimazione) |
Solido Vapore |
l DAè il calore specifico di sublimazione, t- massa di corpo solido convertita in vapore |
|
|
desublimazione (cristallizzazione bypassando la fase liquida) |
Vapore Solido (bypassando la fase liquida) |
l KRè il valore del calore specifico di cristallizzazione, t- massa di vapore trasferita a un corpo solido - un cristallo |
ΔS cre< 0 |
, dove
L'entropia diminuisce
, dove
, dove
L'entropia diminuisce
, dove
L'entropia aumenta
, dove
L'entropia diminuisceDA 
esiste una relazione tra la pressione alla quale il sistema bifase è in equilibrio e la temperatura durante le transizioni di fase del primo ordine. Questa relazione è descritta
. Si consideri la derivazione di questa equazione per sistemi chiusi. Se il numero di particelle nel sistema è costante, la variazione di energia interna, secondo la prima legge della termodinamica, è determinata dall'espressione: . L'equilibrio tra le fasi arriverà a condizione che T 1 \u003d T 2 e P 1 \u003d P 2. Si consideri un ciclo di Carnot reversibile infinitamente piccolo (Fig. 6.8), le cui isoterme corrispondono allo stato di un sistema bifase alle temperature T e dT. Poiché i parametri di stato in questo caso cambiano infinitamente poco, le isoterme e gli adiabati in Fig. 6.8 sono mostrati come linee rette. La pressione in un tale ciclo cambia di dP . Il lavoro del sistema per ciclo è determinato dalla formula: 
. Assumiamo che il ciclo sia implementato per un sistema la cui massa di materia è uguale a uno. L'efficienza di un ciclo di Carnot così elementare può essere determinata dalle formule: 
o 
, dove l Pè il calore specifico di vaporizzazione. Uguagliando le parti giuste di queste uguaglianze e sostituendo l'espressione del lavoro attraverso la pressione e il volume, otteniamo: 
. Correliamo la variazione di pressione con la variazione di temperatura e otteniamo:
(6.23)
Viene chiamata l'equazione (6.23). Equazione di Clausius-Clapeyron
. Analizzando questa equazione, possiamo concludere che all'aumentare della temperatura, la pressione aumenta. Ciò deriva dal fatto che 
, che significa 
.
L'equazione di Clausius-Clapeyron è applicabile non solo alla transizione liquido-vapore. Si applica a tutte le transizioni del primo tipo. In generale si può scrivere così:
(6.24)
Usando l'equazione Clapeyron-Clausius, si può rappresentare il diagramma di stato del sistema in Coordinate P,T(fig.6.9). In questo diagramma, la curva 1 è la curva di sublimazione. Corrisponde allo stato di equilibrio di due fasi: solido e vapore. I punti a sinistra di questa curva caratterizzano lo stato solido monofase. I punti a destra caratterizzano lo stato di vapore. La curva 2 è la curva di fusione. Corrisponde allo stato di equilibrio di due fasi: solida e liquida. I punti a sinistra di questa curva caratterizzano lo stato solido monofase. I punti a destra di esso fino alla curva 3 caratterizzano lo stato liquido. La curva 3 è la curva di vaporizzazione. Corrisponde allo stato di equilibrio di due fasi: liquido e vapore. I punti che si trovano a sinistra di questa curva caratterizzano lo stato liquido monofase. I punti a destra caratterizzano lo stato di vapore. La curva 3, contrariamente alle curve 1 e 2, è delimitata su entrambi i lati. Da un lato - un triplo punto tr, invece - il punto critico K (Fig. 6.9). triplo punto descrive lo stato di equilibrio di tre fasi contemporaneamente: solido, liquido e vapore.
Belousova Julia, Koban Anastasia
Il documento descrive le transizioni di fase della materia. Equilibrio di fase. Fusione, cristallizzazione, evaporazione, condensazione.
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Attività di ricerca in fisica: Transizioni di fase della materia
Piano: Area oggetto e oggetto di lavoro Rilevanza dello studio Scopo e obiettivi dello studio Conoscenza delle prime informazioni sulle transizioni di fase Tipi di transizioni di fase Equilibrio di fase Processi nelle transizioni di fase Conclusione
Area obiettivo La fisica è la scienza dell'universo, che ci permette di considerare e conoscere il processo che ci circonda in tutte le sue sottigliezze. “La cosa più bella che possiamo sperimentare è l'incomprensibile. È la fonte della vera arte e scienza.” Albert Einstein.
Oggetto di studio Per l'oggetto di studio in quest'area, considereremo il processo di transizione di fase della materia.
Rilevanza dell'argomento Questo argomento è interessante e rilevante perché durante anni recentiÈ noto che le transizioni di fase sono ampiamente utilizzate in vari campi della scienza e della tecnologia. Le transizioni di fase possono essere attribuite ai modi più pratici di applicazione degli effetti fisici, perché le transizioni di fase sono: Spesso utilizzate nei brevetti e nelle soluzioni pratiche.
Lo scopo del lavoro: Conoscenza dei concetti di base scienza moderna su diversi tipi di equilibri di fase e su caratteristiche fisiche processi di transizione materiale da una fase all'altra.
Compiti: Considerazione del concetto di transizione di fase Identificazione dei tipi di transizione di fase e delle principali caratteristiche Considerazione dell'equilibrio di fase Stabilimento di vari processi di transizione di fase
Il concetto di transizione di fase Transizione di fase, trasformazione di fase, in senso lato - la transizione di una sostanza da una fase all'altra quando cambiano le condizioni esterne - temperatura, pressione, campi magnetici ed elettrici, ecc. In senso stretto, un cambiamento improvviso Proprietà fisiche con un continuo cambiamento dei parametri esterni.
Tipi di transizioni di fase Le transizioni di fase sono suddivise nei tipi I e II I cambiamenti nello stato di aggregazione di una sostanza sono detti transizioni di fase del primo ordine se: 1) La temperatura è costante durante l'intera transizione. 2) Il volume del sistema sta cambiando. 3) L'entropia del sistema cambia. Transizioni di fase del secondo tipo - transizioni di fase in cui le derivate prime dei potenziali termodinamici rispetto alla pressione e alla temperatura cambiano continuamente, mentre le loro seconde derivate subiscono un salto. Da ciò ne consegue, in particolare, che l'energia e il volume di una sostanza non cambiano durante una transizione di fase del secondo ordine, ma cambiano la sua capacità termica, comprimibilità, varie suscettibilità, ecc.
Diagramma di transizione di fase raffigurante i confini del primo e del secondo ordine delle fasi liquida e gassosa
Equilibrio di fase La condizione di equilibrio di fase può essere ottenuta dai teoremi della termodinamica. Quando un sistema è in equilibrio, le temperature e le pressioni di tutte le sue fasi sono le stesse. Se vengono mantenuti costanti, il potenziale termodinamico del sistema può solo diminuire. All'equilibrio assume un valore minimo. Sia m 1 la massa della prima e m 2 la massa della seconda fase. 1 e 2 potenziali termodinamici specifici della materia in queste fasi. Il potenziale termodinamico dell'intero sistema è rappresentato come Ф = m 1 1 + m 2 2. Se 1 2, allora qualsiasi trasformazione della fase 1 nella fase 2 è accompagnata da una diminuzione di Ф. Questa trasformazione avverrà fino a quando l'intera fase 1 non passa in una fase 2 più stabile. Quindi il sistema diventerà monofase e il suo potenziale termodinamico raggiungerà valore minimo m 2 . Al contrario, se 1 2, allora la fase 2 si trasformerà alla fine nella fase 1. Solo alla condizione 1 (P, T) = 2 (P, T) (1) Le fasi saranno in equilibrio con l'un l'altro. Pertanto, la condizione per l'equilibrio di fase è l'uguaglianza dei loro potenziali termodinamici specifici.
Diagramma dell'equilibrio di fase dell'anidride carbonica:
Il significato della condizione (1) è che per eventuali trasformazioni di fase il valore del potenziale termodinamico specifico rimane invariato. Pertanto, con tutti i cambiamenti nello stato della materia, il suo potenziale termodinamico specifico cambia sempre continuamente
Processi in transizione di fase Considerare: evaporazione e condensazione fusione e cristallizzazione ebollizione e surriscaldamento di un liquido
Evaporazione e condensazione Il passaggio di un liquido allo stato gassoso si chiama evaporazione, il passaggio allo stato gassoso di un solido si chiama sublimazione. Il calore che deve essere impartito a una massa unitaria di una sostanza per trasformarla in vapore alla stessa temperatura che aveva la sostanza prima dell'evaporazione è chiamato calore specifico di evaporazione. Durante la condensazione viene restituito il calore speso durante l'evaporazione: il liquido formatosi durante la condensazione si riscalda. Un vapore in equilibrio con il suo liquido si dice saturo. La pressione alla quale si osserva l'equilibrio è chiamata pressione di vapore di saturazione.
Evaporazione di alcuni liquidi Evaporazione di alcuni tipi di liquidi nel diagramma
Fusione e transizione di cristallizzazione corpo cristallino allo stato liquido avviene ad una temperatura determinata per ciascuna sostanza e richiede il dispendio di una certa quantità di calore, detto calore di fusione. Il punto di fusione dipende dalla pressione. Pertanto, il passaggio dallo stato cristallino a quello liquido avviene in condizioni ben definite, caratterizzate da pressioni e temperature. L'insieme di questi valori corrisponde alla curva nel diagramma (p, T), che è comunemente chiamata curva di fusione
Il processo di fusione inversa della cristallizzazione procede come segue. Quando il liquido viene raffreddato ad una temperatura alla quale le fasi solida e liquida possono essere in equilibrio ad una data pressione (cioè alla stessa temperatura alla quale si è verificata la fusione), i cristalli iniziano a crescere simultaneamente attorno ai cosiddetti nuclei o centri di cristallizzazione . Crescendo sempre di più, i singoli cristalli alla fine si chiudono l'uno con l'altro, formando un policristallino solido. Il processo di cristallizzazione è accompagnato dal rilascio della stessa quantità di calore che viene assorbita durante la fusione.
Fusione
Diagramma: Fusione - Cristallizzazione
Ebollizione e surriscaldamento di un liquido Se un liquido in un recipiente viene riscaldato a una pressione esterna costante con superficie libera liquidi. Questo processo di vaporizzazione è chiamato evaporazione. Al raggiungimento di una certa temperatura, detta punto di ebollizione, la formazione di vapore inizia a verificarsi non solo dalla superficie libera, ma crescono bolle di vapore che salgono in superficie trascinando con sé il liquido stesso. Il processo di vaporizzazione diventa turbolento. Questo fenomeno è chiamato ebollizione. L'acqua surriscaldata può essere ottenuta, ad esempio, in un pallone di quarzo con pareti lisce. Sciacquare accuratamente il pallone prima con acido solforico, nitrico o qualche altro acido, quindi con acqua distillata. L'acqua distillata viene versata nel pallone lavato, da cui l'aria disciolta in essa viene rimossa mediante ebollizione prolungata. Successivamente, l'acqua nel pallone può essere riscaldata su un bruciatore a gas a una temperatura molto superiore al punto di ebollizione, eppure non bolle, ma evapora solo intensamente dalla superficie libera. Solo occasionalmente si forma una bolla di vapore sul fondo del pallone, che cresce rapidamente, si separa dal fondo e sale alla superficie del liquido, e le sue dimensioni aumentano notevolmente quando viene sollevata. Quindi l'acqua rimane calma per molto tempo. Se un germe di una forma gassosa viene introdotto in tale acqua, ad esempio, viene lanciato un pizzico di tè, bollirà violentemente e la sua temperatura scenderà rapidamente al punto di ebollizione. Questa esperienza efficace ha il carattere di un'esplosione.
Bollente Temperatura dell'acqua all'ebollizione del nucleo
Conclusione Questo lavoro ha permesso di conoscere meglio i processi che si verificano quando uno stato della materia passa in un altro, quali caratteristiche ha ciascuna delle fasi e stati. Vedendo i processi intorno a noi, possiamo facilmente dire come accade, conoscendo solo la teoria di base. Pertanto, la fisica ci aiuta ad apprendere la maggior parte delle leggi delle scienze naturali che ci aiuteranno in futuro.