Фазовый переход: различия между версиями
[отпатрулированная версия] | [непроверенная версия] |
м →Преамбула: удалено повторное изображение |
Ququ (обсуждение | вклад) м →Литература: оформление |
||
(не показаны 4 промежуточные версии 3 участников) | |||
Строка 7: | Строка 7: | ||
== Классификация фазовых переходов == |
== Классификация фазовых переходов == |
||
[[Файл:Фазовые переходы первого рода на фазовой диаграмме. |
[[Файл:Фазовые переходы первого рода на фазовой диаграмме.svg|мини|360пкс|Фазовые переходы первого рода на фазовой диаграмме]] |
||
При [[Фазовые переходы первого рода|'''фазовом переходе первого рода''']] скачкообразно изменяются самые главные, первичные параметры: [[удельный объём]], количество запасённой [[внутренняя энергия|внутренней энергии]], [[концентрация частиц|концентрация]] компонентов и т. п. |
При [[Фазовые переходы первого рода|'''фазовом переходе первого рода''']] скачкообразно изменяются самые главные, первичные параметры: [[удельный объём]], количество запасённой [[внутренняя энергия|внутренней энергии]], [[концентрация частиц|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'''). |
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'''). |
||
Строка 18: | Строка 18: | ||
При [[Фазовые переходы второго рода|'''фазовом переходе второго рода''']] плотность и внутренняя энергия не меняются, так что невооружённым глазом такой фазовый переход может быть незаметен. Скачок же испытывают их производные по температуре и давлению: теплоёмкость, коэффициент теплового расширения, различные восприимчивости и т. д. |
При [[Фазовые переходы второго рода|'''фазовом переходе второго рода''']] плотность и внутренняя энергия не меняются, так что невооружённым глазом такой фазовый переход может быть незаметен. Скачок же испытывают их 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 (физика)|симметрия]] строения вещества (симметрия может полностью исчезнуть или понизиться). Описание фазового перехода второго рода как следствие изменения симметрии даётся [[теория Ландау|теорией Ландау]]. В настоящее время принято говорить не об изменении симметрии, но о появлении в точке перехода ''[[Параметр порядка|параметра порядка]].'' Величина параметра порядка определяется таким образом, чтобы её значение в |
Фазовые переходы второго рода происходят в тех случаях, когда меняется [[Симметрия (физика)|симметрия]] строения вещества (симметрия может полностью исчезнуть или понизиться). Описание фазового перехода второго рода как следствие изменения симметрии даётся [[теория Ландау|теорией Ландау]]. В настоящее время принято говорить не об изменении симметрии, но о появлении в точке перехода ''[[Параметр порядка|параметра порядка]].'' Величина параметра порядка определяется таким образом, чтобы её значение в несимметричной фазе было отлично от нуля, и равнялось нулю в симметричной фазе. Другими словами, симметрия тела повышается, когда строго выполнено равенство <math>\eta=0</math>. Если же есть сколь угодно малое отклонение параметра порядка от нуля, то это свидетельствует о понижении симметрии. В случае непрерывного стремления <math>\eta</math> к нулю, речь идёт о фазовых переходах II рода. Непрерывное изменение состояния в точке фазового перехода второго рода влечёт за собой непрерывное изменение [[Термодинамическая функция состояния|термодинамических функций]] в этой же точке. |
||
Наиболее распространённые примеры фазовых переходов второго рода: |
Наиболее распространённые примеры фазовых переходов второго рода: |
||
* прохождение системы через [[критическая точка (термодинамика)|критическую точку]] |
* прохождение системы через [[критическая точка (термодинамика)|критическую точку]] |
||
* переход [[парамагнетик]]-[[ферромагнетик]] или парамагнетик-[[антиферромагнетик]] ( |
* переход [[парамагнетик]]-[[ферромагнетик]] или парамагнетик-[[антиферромагнетик]] (параметр порядка — [[намагниченность]]) |
||
* переход металлов и сплавов в состояние [[сверхпроводимость|сверхпроводимости]] ( |
* переход металлов и сплавов в состояние [[сверхпроводимость|сверхпроводимости]] (параметр порядка — плотность сверхпроводящего конденсата) |
||
* переход [[жидкий гелий|жидкого гелия]] в [[сверхтекучесть|сверхтекучее состояние]] ( |
* переход [[жидкий гелий|жидкого гелия]] в [[сверхтекучесть|сверхтекучее состояние]] (параметр порядка — плотность сверхтекучей компоненты) |
||
* переход [[аморфные материалы|аморфных материалов]] в [[стеклообразное состояние]] |
* переход [[аморфные материалы|аморфных материалов]] в [[стеклообразное состояние]] |
||
Строка 41: | Строка 41: | ||
== Литература == |
== Литература == |
||
* {{книга|автор =Алешкевич В. А.|заглавие =Молекулярная физика|ответственный= |издание= |место =М.|издательство = Физматлит|год = 2016|том= |страниц = 308|серия =Университетский курс общей физики|isbn =978-5-9221-1696-1|ref =Алешкевич В. А., Молекулярная физика}} |
* {{книга|автор =Алешкевич В. А.|заглавие =Молекулярная физика|ответственный= |издание= |место =М.|издательство = Физматлит|год = 2016|том= |страниц = 308|серия =Университетский курс общей физики|isbn =978-5-9221-1696-1|ref =Алешкевич В. А., Молекулярная физика}} |
||
* ''Базаров |
* ''Базаров И. П.'' [http://elibrary.sgu.ru/uch_lit/554.pdf Термодинамика.] — СПб.: Издательство Лань, 2010. — 384 с. |
||
* ''Базаров |
* ''Базаров И. П.'' Заблуждения и ошибки в термодинамике. Изд. 2-ое испр. — {{М}}: Едиториал УРСС, 2003. 120 с. |
||
* {{книга|автор =[[Гухман, Александр Адольфович|Гухман А. А.]]|заглавие =Об основаниях термодинамики|издание =2-е изд., испр|место =М.|издательство =Изд-во ЛКИ|год =2010|том= |страниц = 384|серия= |isbn = 978-5-382-01105-9|ref =Гухман А. А., Об основаниях термодинамики}} |
* {{книга|автор =[[Гухман, Александр Адольфович|Гухман А. А.]]|заглавие =Об основаниях термодинамики|издание =2-е изд., испр|место =М.|издательство =Изд-во ЛКИ|год =2010|том= |страниц = 384|серия= |isbn = 978-5-382-01105-9|ref =Гухман А. А., Об основаниях термодинамики}} |
||
* {{книга|автор =Карякин Н. В.|заглавие= Основы химической термодинамики|ответственный= |издание= |место= М.|издательство= Академия|год= 2003|том= |страниц= 463|серия= Высшее профессиональное образование|isbn= 5-7695-1596-1|ref =Карякин Н. В., Основы химической термодинамики}} |
* {{книга|автор =Карякин Н. В.|заглавие= Основы химической термодинамики|ответственный= |издание= |место= М.|издательство= Академия|год= 2003|том= |страниц= 463|серия= Высшее профессиональное образование|isbn= 5-7695-1596-1|ref =Карякин Н. В., Основы химической термодинамики}} |
||
* ''Квасников |
* ''Квасников И. А.'' Термодинамика и статистическая физика. Т.1: Теория равновесных систем: Термодинамика. — Том.1. Изд. 2, испр. и доп. — {{М}}: УРСС, 2002. 240 с. |
||
* {{книга|автор =[[Новиков, Иван Иванович|Новиков И. И.]]|заглавие =Термодинамика|издание= |место =М.|издательство =Машиностроение|год =1984|том= |страниц =592|серия= |isbn = |ref =Новиков И. И., Термодинамика}} |
* {{книга|автор =[[Новиков, Иван Иванович|Новиков И. И.]]|заглавие =Термодинамика|издание= |место =М.|издательство =Машиностроение|год =1984|том= |страниц =592|серия= |isbn = |ref =Новиков И. И., Термодинамика}} |
||
* {{книга|автор = Полторак О. М.|заглавие =Термодинамика в физической химии |издание= |место =М.|издательство =Высшая школа|год =1991|том= |страниц =320|серия= |isbn =5-06-002041-X|ref =Полторак О. М., Термодинамика в физической химии}} |
* {{книга|автор = Полторак О. М.|заглавие =Термодинамика в физической химии |издание= |место =М.|издательство =Высшая школа|год =1991|том= |страниц =320|серия= |isbn =5-06-002041-X|ref =Полторак О. М., Термодинамика в физической химии}} |
||
* {{книга|автор =[[Румер, Юрий Борисович|Румер Ю. Б.]], Рывкин М. Ш. |заглавие = Термодинамика, статистическая физика и кинетика |ответственный= |издание =2-е изд., испр. и доп|место = Новосибирск|издательство = Изд-во Носиб. ун-та|год =2000|том= |страниц =608|серия= |isbn =5-7615-0383-2|ref =Румер Ю. Б., Рывкин М. Ш., Термодинамика, статистическая физика и кинетика}} |
* {{книга|автор =[[Румер, Юрий Борисович|Румер Ю. Б.]], Рывкин М. Ш. |заглавие = Термодинамика, статистическая физика и кинетика |ответственный= |издание =2-е изд., испр. и доп|место = Новосибирск|издательство = Изд-во Носиб. ун-та|год =2000|том= |страниц =608|серия= |isbn =5-7615-0383-2|ref =Румер Ю. Б., Рывкин М. Ш., Термодинамика, статистическая физика и кинетика}} |
||
* {{книга | автор = Паташинский А. З., [[Покровский, Валерий Леонидович|Покровский В. Л.]]| часть = | заглавие = Флуктуационная теория фазовых переходов| оригинал = | ссылка = | издание = 2-е | место = {{М}}| издательство = Наука| год = 1982 | страниц = 382 }} |
|||
* ''Стенли. Г.'' Фазовые переходы и критические явления. — {{М}}: Мир, 1973. |
|||
* |
* [[Гуфан, Юрий Михайлович|Гуфан Ю. М.]]. Термодинамическая теория фазовых переходов. — Ростов н/Д: Издательство Ростовского университета, 1982. — 172 с. |
||
* [[ |
* [[Синай, Яков Григорьевич|Синай Я. Г.]] Теория фазовых переходов. — М., Наука, 1980. — 208 с. |
||
* [[Синай, Яков Григорьевич|Синай Я. Г.]] Теория фазовых переходов. — М., Наука, 1980. — 208 с. |
|||
{{Состояния материи}} |
{{Состояния материи}} |
Текущая версия от 08:35, 26 мая 2024
Фа́зовый перехо́д (фазовое превращение) в термодинамике — переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий. С точки зрения движения системы по фазовой диаграмме при изменении её интенсивных параметров (температуры, давления и т. п.), фазовый переход происходит, когда система пересекает линию, разделяющую две фазы. Поскольку разные термодинамические фазы описываются различными уравнениями состояния, всегда можно найти величину, которая скачкообразно меняется при фазовом переходе.
Поскольку разделение на термодинамические фазы — более мелкая классификация состояний, чем разделение по агрегатным состояниям вещества, то далеко не каждый фазовый переход сопровождается сменой агрегатного состояния. Но любая смена агрегатного состояния есть фазовый переход.
Наиболее часто рассматриваются фазовые переходы при изменении температуры, но при постоянном давлении (как правило равном 1 атмосфере). Именно поэтому часто употребляют термины «точка» (а не линия) фазового перехода, температура плавления и т. д. Разумеется, фазовый переход может происходить и при изменении давления, и при постоянных температуре и давлении, но и при изменении концентрации компонентов (например, появление кристалликов соли в растворе, который достиг насыщения).
Классификация фазовых переходов
[править | править код]При фазовом переходе первого рода скачкообразно изменяются самые главные, первичные параметры: удельный объём, 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:
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 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. Величина параметра порядка определяется таким образом, чтобы её значение в несимметричной фазе было отлично от нуля, и равнялось нулю в симметричной фазе. Другими словами, симметрия тела повышается, когда строго выполнено равенство . Если же есть сколь угодно малое отклонение параметра порядка от нуля, то это свидетельствует о понижении симметрии. В случае непрерывного стремления к нулю, речь идёт о фазовых переходах II рода. Непрерывное изменение состояния в точке фазового перехода второго рода влечёт за собой непрерывное изменение термодинамических функций в этой же точке.
Наиболее распространённые примеры фазовых переходов второго рода:
- прохождение системы через критическую точку
- переход парамагнетик-ферромагнетик или парамагнетик-антиферромагнетик (параметр порядка — намагниченность)
- переход металлов и сплавов в состояние сверхпроводимости (параметр порядка — плотность сверхпроводящего конденсата)
- переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние (параметр порядка — плотность сверхтекучей компоненты)
- переход аморфных материалов в стеклообразное состояние
Существование фазовых переходов более чем второго порядка до сих пор экспериментально не подтверждено[1][2][3][4][5]. Теоретический анализ не даёт оснований считать фазовые переходы высших порядков принципиально невозможными[1] (бозе-конденсация для газа свободных бозонов представляет собой пример фазового перехода третьего рода в виртуальной термодинамической системе[6]), но уже для фазового перехода третьего рода условия равновесия налагают столь сильные ограничения на свойства вещества, что такие переходы представляются если и осуществимыми в принципе, то крайне редко реализуемыми[2].
В последнее время широкое распространение получило понятие квантовый фазовый переход, то есть 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.
Динамика фазовых переходов
[править | править код]Как сказано выше, под скачкообразным изменением свойств вещества имеется в виду скачок при изменении температуры и давления. В реальности же, воздействуя на систему, мы изменяем не эти величины, а её объем и её полную внутреннюю энергию. Это изменение всегда происходит с какой-то конечной скоростью, а значит для того, чтобы «покрыть» весь разрыв в плотности или удельной внутренней энергии, нам требуется некоторое конечное время. В течение этого времени фазовый переход происходит не сразу во всём объёме вещества, а постепенно. При этом в случае фазового перехода первого рода выделяется (или забирается) определённое количество энергии, которая называется теплотой фазового перехода. Для того, чтобы фазовый переход не останавливался, требуется непрерывно отводить (или подводить) это тепло, либо компенсировать его совершением работы над системой.
В результате, в течение этого времени точка на фазовой диаграмме, описывающая систему, «замирает» (то есть давление и температура остаются постоянными) до полного завершения процесса.
Примечания
[править | править код]- ↑ 1 2 Алешкевич В. А., Молекулярная физика, 2016, с. 241.
- ↑ 1 2 Гухман А. А., Об основаниях термодинамики, 2010, с. 300.
- ↑ Карякин Н. В., Основы химической термодинамики, 2003, с. 210.
- ↑ Полторак О. М., Термодинамика в физической химии, 1991, с. 131.
- ↑ Новиков И. И., Термодинамика, 1984, с. 249.
- ↑ Румер Ю. Б., Рывкин М. Ш., Термодинамика, статистическая физика и кинетика, 2000, с. 270.
Литература
[править | править код]- Алешкевич В. А. Молекулярная физика. — М.: Физматлит, 2016. — 308 с. — (Университетский курс общей физики). — ISBN 978-5-9221-1696-1.
- Базаров И. П. Термодинамика. — СПб.: Издательство Лань, 2010. — 384 с.
- Базаров И. П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. Изд. 2-ое испр. — М.: Едиториал УРСС, 2003. 120 с.
- Гухман А. А. Об основаниях термодинамики. — 2-е изд., испр. — М.: Изд-во ЛКИ, 2010. — 384 с. — ISBN 978-5-382-01105-9.
- Карякин Н. В. Основы химической термодинамики. — М.: Академия, 2003. — 463 с. — (Высшее профессиональное образование). — ISBN 5-7695-1596-1.
- Квасников И. А. Термодинамика и статистическая физика. Т.1: Теория равновесных систем: Термодинамика. — Том.1. Изд. 2, испр. и доп. — М.: УРСС, 2002. 240 с.
- Новиков И. И. Термодинамика. — М.: Машиностроение, 1984. — 592 с.
- Полторак О. М. Термодинамика в физической химии. — М.: Высшая школа, 1991. — 320 с. — ISBN 5-06-002041-X.
- Румер Ю. Б., Рывкин М. Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика. — 2-е изд., испр. и доп. — Новосибирск: Изд-во Носиб. ун-та, 2000. — 608 с. — ISBN 5-7615-0383-2.
- Паташинский А. З., Покровский В. Л. Флуктуационная теория фазовых переходов. — 2-е. — М.: Наука, 1982. — 382 с.
- Гуфан Ю. М.. Термодинамическая теория фазовых переходов. — Ростов н/Д: Издательство Ростовского университета, 1982. — 172 с.
- Синай Я. Г. Теория фазовых переходов. — М., Наука, 1980. — 208 с.