Актуальность темы Актуальность темы определяется тем, что в последние последние десятилетия фазовые переходы широко применяются в различных областях науки и техники. Фазовые переходы можно отнести к наиболее значимым в практическом отношении способам применения физических эффектов. Этим объясняется то, что фазовые переходы часто применяются в патентах и практических решениях.

Цель работы: Ознакомление с основными представлениями современной науки о различных видах фазовых равновесий и о физических особенностях процессов переходов вещества из одной фазы в другую. Задачи: Рассмотрение понятия фазового перехода Выявление видов фазовых переходов и их основных характеристик Установление различных процессов при фазовых переходах

Понятие фазового перехода Фазовый переход или 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.

фазовые равновесия и переходы Любое вещество может существовать в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком, газообразном. Различные агрегатные состояния (фазы) могут существовать одновременно (например, вода – пар, вода – плавающий в ней лёд – пар). Если состояния находятся в термодинамическом равновесии (количества их не изменяются) говорят о фазовом равновесии, если наблюдается переход из одного состояния в другое (плавление, парообразование или наоборот конденсация, кристаллизация) говорят о фазовых переходах.

Виды фазовых переходов Фазовые переходы делятся на I и II рода 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 ПЕРЕХОДЫ I РОДА Плавление переход из твердого кристаллического состояния в жидкое. Кристаллизация (затвердевание) переход вещества из жидкого в кристаллическое (твердое) состояние. Сублимация (возгонка) переход из твердого кристаллического состояния в газообразное. Конденсация переход из газообразного состояния в жидкое или твердое. Испарение переход из жидкого состояния в газообразное. Тепловой эффект фазового перехода I рода рассчитывается по формуле:, где Q удельная теплота фазового перехода m количество тепла, поглощаемого или выделяемого при фазовом переходе 1 килограмма вещества, масса вещества.

Выделяют следующие разновидности изменения агрегатного состояния - называемые фазовыми переходами. из твёрдого в жидкое плавление; из жидкого в газообразное испарение и кипение; из твёрдого в газообразное сублимация; из газообразного в жидкое или твёрдое конденсация; из жидкого в твёрдое кристаллизация. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию.

Агрегатное состояние вещества. Фазовые переходы взаимно обратимы т.е. при охлаждении происходит обратный переход за исключением плазмы. Возможен переход из твердого состояния в газообразное путем сублимации минуя жидкое состояние, при этом обратный переход называется десублимацией. В твердом состоянии расстояние между частицами и потенциальная энергия частиц в этом состоянии больше кинетической энергии частиц. При нагревании и переходе в жидкое состояние потенциальная энергия частиц примерно равна их кинетической энергии и при переходе в газообразное состояние потенциальная энергия становится меньше кинетической энергии этих частиц. схемы

Агрега́тное состоя́ние состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. К агрегатным состояниям причисляют и плазму. Механические свойства фаз существенно отличаются.

Твёрдое тело. Твёрдое тело это агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания около положений равновесия.

Различают кристаллические и аморфные твердые тела. Кристаллы характеризуются пространственною периодичностью в расположении равновесных положений атомов. В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек.

Аморфные вещества Не имеют определённой температуры плавления При нагревании размягчаются и переходят в текучее состояние

Кристаллические вещества Имеют строго определённую температуру плавления Характеризуются правильным расположением частиц, из которых они состоят (атомы, ионы, молекулы)

Кристаллическая решётка Узлы кристаллических решёток

Типы кристаллических решёток Ионная Атомная Молекулярная Металлическая

Жидкость. Жидкость - состояние вещества, при котором оно обладает малой сжимаемостью, то есть хорошо сохраняет объём, однако не способно сохранять форму. Жидкость легко принимает форму сосуда, в который она помещена. Атомы или молекулы жидкости совершают колебания вблизи состояния равновесия, запертые другими атомами, и часто перескакивают на другие свободные места.

Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси. Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь, морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей. Физические свойства жидкостей: текучесть, сохранение объёма, вязкость, испарение, конденсация, кипение, смачивание, смешивание (диффузия) и др.

Газ. Газ - состояние, характеризующееся хорошей сжимаемостью, отсутствием способности сохранять как объём, так и форму. Газ стремится занять весь объём, ему предоставленный. Атомы или молекулы газа ведут себя относительно свободно, расстояния между ними гораздо больше их размеров.

Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности. Газообразное состояние самое распространённое состояние вещества Вселенной (межзвёздное вещество, туманности, звёзды, атмосферы планет и т. д.). По химическим свойствам газы и их смеси весьма разнообразны от малоактивных инертных газов до взрывчатых газовых смесей.

Двумерные диаграммы трёх агрегатных состояний вещества а)газ-хаос; б)жидкость – ближний порядок; в) кристалл - дальний порядок (для большей наглядности использованы «квадратные» молекулы) Переходы из одного фазового состояния в другое определяются молекулярно- кинетической структурой агрегатных состояний и видами упорядоченности в молекулярных системах

Процессы в фазовых переходах Рассмотрим: Испарение и конденсация Плавление и кристаллизация Кипение и пере нагревание 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.

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

Уравнение Менделеева - Клапейрона Законы которые описывают газообразное состояние системы называют уравнениями состояния идеального газа. Идеальное состояние газа представляет собой упрощенную модель газообразного состояния вещества. Обобщенный закон газообразного состояния называется уравнением Менделеева - Клапейрона и связывает между собой давление (Р), объем (V) и температуру соотношением Р где, n – количество молей вещества R – универсальная газовая постоянная которая равна 8.313*10 3 Дж/моль*К Когда теплота измеряется в ккал R= калл/К*моль

Правила фаз Гиббса и диаграммы состояния Для равновесной термодинамической системы сумма чисел степеней свободы С равна числу компонентов (К) минус число фаз плюс 2: С = К - Ф + 2 (запись правила Гиббса) Здесь 2 это число независимых параметров, например t и p и если один из параметров постоянен то цифра 2 заменяется цифрой 1. Системы могут различаться по числу фаз на однофазные, двухфазные и т.д. По числу компонентов системы могут быть однокомпонентными, двухкомпонентными и т.д. По числу степеней свободы (С) системы разделяют на инвариантные, моновариантные и т.д. Для однокомпонентных систем правило фаз Гиббса принимает вид С = 1 - Ф + 2 = 3 - ф Если минимальное число степеней свободы равно «0» (система инвариантна) С = 0 то Ф = 3 Максимальным числом степеней свободы система обладает при минимальном Ф. В тоже время Ф не может быть меньше 1 и соответственно С max = = 2 2 это означает t и p

Фазовые диаграммы состояния воды и СО 2 Отклонение линии ОС – плавления вправо наблюдается потому, что при повышении плотности при температуре плавления вещество расширяется Правила фаз Гиббса и диаграммы состояния. Для равновесной термодинамической системы сумма чисел степеней свободы С равна числу компонентов (К) минус число фаз плюс 2

Уравнение Клаузиуса – Клапейрона.

ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ Поскольку для большинства веществ, то кривая фазового равновесия наклонения вправо, так как. Есть исключения. Например, объем воды меньше объема льда Поэтому, кривая плавления воды наклонена влево При фазовых переходах первого рода скачком изменяются плотность веществ и энергия тела; очевидно, при фазовых переходах первого рода всегда выделяется или поглощается конечное количество тепловой энергии. При фазовых переходах второго рода плотность и энергия меняются непрерывно, а скачок испытывает такие величины, как теплоемкость, теплопроводность; фазовые переходы второго рода не сопровождаются поглощением или выделением энергии. Примером фазового перехода второго рода может служить переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние

Плазма. Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» Ленгмюром в 1928 году, возможно из-за ассоциации с плазмой крови. Пла́зма полностью или частично ионизированный газ, который может быть как квазинейтральным, так и неквазинейтральным. Плазма является четвёртым агрегатным состоянием вещества.

Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обусловливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями.

Виды плазмы. Космическая и астрофизическая плазма: Солнце и другие звезды (те, которые существуют за счет термоядерных реакций) Солнечный ветер Космическое пространство (пространство между планетами, звездами и галактиками) Межзвездные туманности

Земная природная плазма: Молния Огни святого Эльма Ионосфера Северное сияние Языки пламени (низкотемпературная плазма)

Искусственно созданная плазма: Плазменная панель (телевизор, монитор) Вещество внутри люминесцентных (в том числе компактных) и неоновых ламп Плазменные ракетные двигатели Газоразрядная корона озонового генератора Исследования управляемого термоядерного синтеза Электрическая дуга в дуговой лампе и в дуговой сварке Плазменная лампа Дуговой разряд от трансформатора Теслы Воздействие на вещество лазерным излучением Светящаяся сфера ядерного взрыва

Жидкие кристаллы. Жидкие кристаллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Научное доказательство было предоставлено нем. профессором Отто Леманном, но даже после появления в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы», открытию не нашлось применения. И всё же только после 1973 г., когда группа англ. химиков под руководством Джорджа Грея получила жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов термография. Создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и опухоль. С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ информационная техника.

Заключение Таким образом эта лекция дала возможность поближе узнать процессы, которые происходят, когда одно состояние вещества переходит в другое, какие характеристики имеет каждая фаза. Изучая 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.

Спасибо за внимание