Головна

   Велика Радянська Енциклопедія

Фазовий перехід

   
 

Фазовий перехід, фазове перетворення, в широкому сенсі = перехід речовини з однієї фази в іншу при зміні зовнішніх умов = температури, тиску, магнітного та електричного полів і т.д.; у вузькому сенсі = стрибкоподібне зміна фізичних властивостей при безперервному зміну зовнішніх параметрів. Різниця двох трактувань терміну "Ф. п." видно з наступного прикладу. У вузькому сенсі перехід речовини з газової фази в плазмову (див. Плазма ) не є Ф. п., так як іонізація газу відбувається поступово, але в широкому сенсі це = Ф. п. У даній статті термін "Ф. п." розглядається у вузькому сенсі.

Значення температури, тиску або будь-якої іншої фізичної величини, при якому відбувається Ф. п., називають точкою переходу.

Розрізняють Ф. п. двох пологів. При Ф. п. першого роду стрибком міняються такі термодинамічні характеристики речовини, як щільність, концентрація компонент; в одиниці маси виділяється або поглинається цілком певна кількість теплоти, що носить назву теплоти переходу. При Ф. п. другого роду деяка фізична величина, що дорівнює нулю з одного боку від точки переходу, поступово зростає (від нуля) при видаленні від точки переходу в інший бік. При цьому щільність і концентрації змінюються безперервно, теплота не виділяється і не поглинається.

Ф. п. = широко поширене в природі явище. До Ф. п. 1 роду відносяться: випаровування і конденсація, плавлення і затвердіння, сублімація і конденсація в тверду фазу, деякі структурні переходи в твердих тілах, наприклад утворення мартенситу в сплаві залізо = вуглець. В антиферромагнетиках з однією віссю намагнічення магнітних підграток Ф. п. 1 роду відбувається в зовнішньому магнітному полі, направленому уздовж осі. При певному значенні поля моменти магнітних підграток повертаються перпендикулярно напрямку поля (відбувається "перекидання" подрешеток). У чистих надпровідниках магнітне поле викликає Ф. п. 1 роду з надпровідного в нормальний стан (див. Надпровідність ).

При абсолютному нулі температури і фіксованому обсязі термодинамічно рівноважної є фаза з щонайнижчим значенням енергії. Ф. п. 1 роду в цьому випадку відбувається при тих значеннях тиску і зовнішніх полів, при яких енергії двох різних фаз порівнюються. Якщо зафіксувати не об'єм тіла V, а тиск р, то в стані термодинамічної рівноваги мінімальної є енергія Гіббса Ф (або G), а в точці переходу у фазовому рівновазі знаходяться фази з однаковими значеннями Ф (див. Гиббсова енергія ).

Багато речовин при малих тисках кристалізуються в неплотноупакованние структури. Наприклад, кристалічний водень складається з молекул, що знаходяться на порівняно великих відстанях один від одного; структура графіту представляє собою ряд далеко віддалених шарів атомів вуглецю. При досить високих тисках таким пухким структурам відповідають великі значення енергії Гіббса. Меншим значенням Ф в цих умовах відповідають рівноважні щільноупаковані фази. Тому при великих тисках графіт переходить в алмаз , а молекулярний кристалічний водень повинен перейти в атомарний (металевий). Квантові рідини 3 He і 4 He при нормальному тиску залишаються рідкими аж до найнижчих з досягнутих температур (Т ~ 0,001 К). Причина цього = в слабкій взаємодії часток і великій амплітуді їх коливань при температурах, близьких до абсолютного нуля (т. н. нульових коливань, див Неопределенностей співвідношення ). Однак підвищення тиску (до 20 атм при Т "0 К) призводить до затвердіння рідкого гелію. При відмінних від нуля температурах і заданих тиску і температурі рівноважної як і раніше є фаза з мінімальною енергією Гіббса (мінімальна енергія, з якої вирахувано робота сил тиску і повідомлене системі кількість теплоти).

Для Ф. п. 1 роду характерне існування області метастабильного рівноваги поблизу кривої Ф. п. 1 роду (наприклад, рідину можна нагріти до температури вище точки кипіння або переохолодити нижче точки замерзання). Метастабільні стану існують досить довго з тієї причини, що утворення нової фази з меншим значенням Ф (термодинамічно вигіднішою) починається з виникнення зародків цієї фази. Виграш у величині Ф при утворенні зародка пропорційний його об'єму, а програш = площі поверхні (значенню поверхневої енергії ). Виниклі маленькі зародки збільшують Ф, і тому з переважною ймовірністю вони будуть зменшуватися і зникнуть. Однак зародки, які досягли деякого критичного розміру, зростають, і все речовина переходить в нову фазу. Освіта зародка критичного розміру = дуже малоймовірний процес і відбувається досить рідко. Ймовірність утворення зародків критичного розміру збільшується, якщо в речовині є чужорідні включення макроскопічних розмірів (наприклад, порошинки в рідині). Поблизу критичної точки різниця між рівноважними фазами і поверхнева енергія зменшуються, легко утворюються зародки великих розмірів і химерної форми, що відбивається на властивостях речовини (див. Критичні явища ).

Приклади Ф. п. II роду = поява (нижче визначеної в кожному випадку температури) магнітного моменту у магнетика при переході парамагнетик = ферромагнетик, антиферомагнітного впорядкування при переході парамагнетик = антиферромагнетик , виникнення надпровідності в металах і сплавах, виникнення надтекучості в 3 He і 4 He, впорядкування сплавів, поява мимовільної (спонтанної) поляризації речовини при переході параелектрік = сегнетоелектрик і т.д.

Л. Д. Ландау (1937) запропонував загальну трактування всіх Ф. п. II роду, як точок зміни симетрії: вище точки переходу система володіє вищою симетрією, чим нижче точки переходу. Наприклад, в магнетику вище точки переходу напрямки елементарних магнітних моментів ( спинив ) часток розподілені хаотично. Тому одночасний поворот всіх спинив не змінює фізичних властивостей системи. Нижче точки переходу спини мають переважну орієнтацію. Одночасний їх поворот змінює напрямок магнітного моменту системи. Інший приклад: у двокомпонентному сплаві, атоми якого А и В розташовані у вузлах простий кубічної кристалічної решітки , невпорядковане стан характеризується хаотичним розподілом атомів А і В по вузлах решітки, так що зрушення решітки на один період не міняє її властивостей. Нижче точки переходу атоми сплаву розташовуються впорядковано: ... ABAB ... Зрушення таких грат на період призводить до заміни всіх атомів А на В або навпаки. В результаті встановлення порядку в розташуванні атомів симетрія решітки зменшується.

Сама симетрія з'являється і зникає стрибком. Однак величина, що характеризує асиметрію (параметр порядку), може змінюватися безперервно. При Ф. п. II роду параметр порядку дорівнює нулю вище точки переходу і в самій точці переходу. Подібним чином поводиться, наприклад, магнітний момент феромагнетика, електрична поляризація сегнетоелектріка, щільність сверхтекучей компоненти в рідкому 4 He, ймовірність виявлення атома А у відповідному вузлі кристалічної решітки двокомпонентного сплаву і т.д.

Для Ф. п. II роду характерна відсутність стрибків щільності, концентрації, теплоти переходу. Але точно така ж картина спостерігається і в критичній точці на кривій Ф. п. I роду (див. Критичні явища ). Подібність виявляється дуже глибоким. Поблизу критичної точки стан речовини можна характеризувати величиною, що грає роль параметра порядку. Наприклад, в разі критичної точки на кривій рівноваги рідина = пар це = відхилення щільності від середнього значення. При русі по критичній Ізохор з боку високих температур газ однорідний, і ця величина дорівнює нулю. Нижче критичної температури , речовина розшаровується на дві фази, в кожній з яких відхилення щільності від критичної не дорівнює нулю. Оскільки поблизу точки Ф. п. II роду фази мало відрізняються один від одного, можливе утворення зародків великого розміру однієї фази в іншій ( флуктуації ), точно так само, як поблизу критичної точки. З цим пов'язано багато критичні явища при Ф. п. II роду: нескінченне зростання магнітної сприйнятливості феромагнетиків і діелектричної постійної сегнетоелектриків (аналогом є зростання стисливості поблизу критичної точки рідина = пар), нескінченне зростання теплоємності, аномальне розсіяння електромагнітних хвиль [світлових в рідині і парі (див. Опалесценция критична ), рентгенівських в твердих тілах], нейтронів у феромагнетиках. Істотно змінюються і динамічні явища, що пов'язане з дуже повільним розсмоктуванням утворилися флуктуацій. Наприклад, поблизу критичної точки рідина = пар звужується лінія релєєвського розсіювання світла , поблизу Кюрі точки ферромагнетиков і Нееля точки антиферромагнетиков сповільнюється спінова дифузія (див. Спінові хвилі ) і т.д. Середній розмір флуктуацій (радіус кореляції) R зростає в міру наближення до точки Ф. п. II роду і стає в цій точці нескінченно великим.

Сучасні досягнення теорії Ф. п. II роду і критичних явищ засновані на гіпотезі подібності. Передбачається, що якщо прийняти R за одиницю виміру довжини, а середню величину параметра порядку комірки з ребром R = за одиницю виміру параметра порядку, то вся картина флуктуацій не залежатиме ні від близькості до точки переходу, ні від конкретної речовини. Всі термодинамічні величини є статечними функціями R. Показники ступенів називають критичними розмірностями (індексами). Вони не залежать від конкретної речовини і визначаються лише характером параметра порядку. Наприклад, розмірності в точці Кюрі ізотропного матеріалу, параметром порядку якого є вектор намагніченості, відрізняються від розмірності в критичній точці рідина = пар або в точці Кюрі одноосного магнетика, де параметр порядку = скалярна величина.

Поблизу точки переходу рівняння стану має характерний вигляд закону відповідних станів . Наприклад, поблизу критичної точки рідина = пар ставлення ? залежить тільки від ? (тут r-щільність, r к - критична щільність, r ж = щільність рідини, r г = щільність газу, p = тиск, pk = критичний тиск, Кт = ізотермічна стисливість ), причому вид залежності при відповідному виборі масштабу один і той же для всіх рідин (див. Критичні явища ).

Досягнуто великі успіхи в теоретичному обчисленні критичних розмірностей і рівнянь стану в доброму згоді з експериментальними даними. Наближені значення критичних розмірностей наведені в таблиці.

Таблиця критичних розмірностей термодинамічних і кінетичних поле

Магнітний момент

Т - Тk

Ширина лінії релєєвського розсіювання

Розмірність

16

/ 2

* Зміна щільності з тиском, намагніченості з напруженістю магнітного поля та ін

критична температура.

-3/2

3/ Подальший розвиток теорії Ф. п. II роду пов'язане із застосуванням методів квантової теорії поля, особливо методу ренормализационной групи. Цей метод дозволяє, в принципі, знайти критичні індекси з будь-якої необхідної точністю.

2

-5 Розподіл Ф. п. на два роду кілька умовно, тому що бувають Ф. п. I роду з малими стрибками теплоємності та ін величин і малими теплотамі переходу при сильно розвинених флуктуаціях. Ф. п. = колективне явище, що відбувається при строго певних значеннях температури та ін величин тільки в системі, що має в межі скільки завгодно велике число часток.

-1/2

-3/2

Літ.: Tk = Ландау Л. Д., Ліфшиц Е. М., Статистична фізика, 2 вид., М., 1964 (Теоретична фізика, т. 5); Ландау Л. Д., Ахиезер А. І., Ліфшиц Е. М., Курс загальної фізики. Механіка і молекулярна фізика, 2 вид., М., 1969; Браут Р., Фазові переходи, пров. з англ., М., 1967; Фішер М., Природа критичного стану, пер. з англ., М., 1968; Стенлі Г., Фазові переходи і критичні явища, пер. з англ., М., 1973; Анісімов М. А., Дослідження критичних явищ в рідинах, "Успіхи фізичних наук", 1974, т. 114, ст. 2; Паташінскій А. З., Покровський В. Л., Флуктуационная теорія фазових переходів, М., 1975; Квантова теорія поля і фізика фазових переходів, пров. з англ., М., 1975 (Новини фундаментальної фізики, вип. 6); Вільсон К., Когут Дж., ренормализационной група і e-розкладання, пер, з англ., М., 1975 (Новини фундаментальної фізики, в. 5).

В. Л. Покровський.

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 температуры 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; Браут 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. З., 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 Дж., Ренормализационная группа и e-разложение, пер, с англ., М., 1975 (Новости фундаментальной физики, в. 5).

© В. Л. Покровский.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
© 2014-2022  vre.pp.ua