Фазовый переход
Альфапедия

Фазовый переход

Переходы между твердым, жидким и газообразным состояниями материи и, в редких случаях, плазмой

На этой диаграмме показана номенклатура для различные фазовые переходы.

Фазовый переход (или фазовый переход ) - это переход между твердым, жидким и газообразным состояния вещества, а также плазма в редких случаях. Фаза термодинамической системы и состояния вещества имеют одинаковые физические свойства. Во время фазового перехода данной среды определенные свойства среды изменяются, часто прерывисто, в результате изменения внешних условий, таких как температура, давление или другие. Например, жидкость может стать газом при нагревании до точки кипения, что приведет к резкому изменению объема. Измерение внешних условий, при которых происходит превращение, называется фазовым переходом. Фазовые переходы обычно происходят в природе и сегодня используются во многих технологиях.

Содержание
  • 1 Типы фазовых переходов
  • 2 Классификации
    • 2.1 Классификация Эренфеста
    • 2.2 Современные классификации
  • 3 Характерные свойства
    • 3.1 Сосуществование фаз
    • 3.2 Критические точки
    • 3.3 Симметрия
    • 3.4 Параметры порядка
    • 3.5 Актуальность в космологии
    • 3.6 Критические показатели и классы универсальности
    • 3.7 Критическое замедление и другие явления
    • 3.8 Теория перколяции
    • 3.9 Фазовые переходы в биологических системах
  • 4 Экспериментальные
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература
  • 8 Внешние ссылки
Типы фазовых переходов
Типичная фазовая диаграмма. Пунктирная линия показывает аномальное поведение воды..

Примеры фазовых переходов включают:

  • Переходы между твердой, жидкой и газовой фазами одного компонента из-за влияния температуры и / или давление :
Фазовые переходы вещества (
  • v
  • t
)
базовый в
твердое тело жидкость газ плазма
изтвердое телоплавление Сублимация
ЖидкостьЗамораживание Испарение
ГазОтложение Конденсация Ионизация
ПлазмаРекомбинация
См. Также давление пара и диаграмма состояния
Небольшой кусок быстро плавящегося твердого вещества аргона одновременно показывает переходы из твердого состояния в жидкость и из жидкости в газ. Сравнение диаграмм состояния диоксида углерода (красный) и вода (синий цвет), объясняющие их различные фазовые переходы при 1 атмосфере

Фазовые переходы происходят, когда термодинамическая свободная энергия системы является неаналитической для некоторого выбора термодинамических переменных (см. фазы ). Это условие обычно возникает из-за взаимодействия большого количества частиц в системе и не проявляется в слишком маленьких системах. Важно отметить, что фазовые переходы могут происходить и определены для нетермодинамических систем, где температура не является параметром. Примеры включают: квантовые фазовые переходы, динамические фазовые переходы и топологические (структурные) фазовые переходы. В этих типах систем другие параметры заменяют температуру. Например, вероятность подключения заменяет температуру для просачивающихся сетей.

В точке фазового перехода (например, точка кипения ) две фазы вещества, жидкость и пар, имеют идентичные свободные энергии и, следовательно, равновероятны существовать. Ниже точки кипения жидкость является более стабильным состоянием из двух, тогда как выше предпочтительной является газообразная форма.

Иногда возможно изменить состояние системы диабатически (в отличие от адиабатически ) таким образом, чтобы оно могло пройти через точку фазового перехода без фазового перехода. Результирующее состояние является метастабильным, то есть менее стабильным, чем фаза, в которую мог бы произойти переход, но также не нестабильно. Это происходит, например, при перегреве, переохлаждении и перенасыщении.

Классификации

Классификация Эренфеста

Пауль Эренфест классифицировал фазовые переходы на основе поведения термодинамической свободной энергии как функции других термодинамических переменных. По этой схеме фазовые переходы были помечены наименьшей производной свободной энергии, которая при переходе разрывная. Фазовые переходы первого рода обнаруживают разрыв первой производной свободной энергии по некоторой термодинамической переменной. Различные переходы твердое тело / жидкость / газ классифицируются как переходы первого рода, потому что они включают скачкообразное изменение плотности, которая является (обратной) первой производной свободной энергии по давлению. Фазовые переходы второго рода являются непрерывными по первой производной (параметр порядка , который является первой производной свободной энергии по отношению к внешнему полю, непрерывен через переход), но демонстрирует разрыв во второй производная свободной энергии. К ним относятся ферромагнитный фазовый переход в таких материалах, как железо, где намагниченность , которая является первой производной свободной энергии по отношению к напряженности приложенного магнитного поля, непрерывно увеличивается от нуля при понижении температуры ниже температура Кюри. магнитная восприимчивость, вторая производная свободной энергии от поля, изменяется скачкообразно. Согласно схеме классификации Эренфеста, в принципе могут быть фазовые переходы третьего, четвертого и более высокого рода.

Классификация Эренфеста неявно допускает непрерывные фазовые превращения, при которых изменяется связывающий характер материала, но нет разрыва в любой производной свободной энергии. Пример этого происходит на границах сверхкритической жидкости и газа.

Современные классификации

В современной схеме классификации фазовые переходы делятся на две широкие категории, названные аналогично классам Эренфеста:

Фазовые переходы первого рода - это переходы, в которых участвует скрытая теплота. Во время такого перехода система либо поглощает, либо выделяет фиксированное (и обычно большое) количество энергии на единицу объема. Во время этого процесса температура системы будет оставаться постоянной по мере добавления тепла: система находится в «смешанном фазовом режиме», в котором некоторые части системы завершили переход, а другие - нет. Знакомые примеры - таяние льда или кипение воды (вода не превращается мгновенно в пар, а образует турбулентную смесь жидкой воды и пузырьков пара). Имри и Уортис показали, что погашенный беспорядок может уширять переход первого рода. То есть преобразование завершается в конечном диапазоне температур, но такие явления, как переохлаждение и перегрев, сохраняются и при термоциклировании наблюдается гистерезис.

Фазовые переходы второго рода также называются «непрерывными фазовыми переходами». Они характеризуются дивергентной восприимчивостью, бесконечной корреляционной длиной и степенным затуханием корреляций вблизи критичности. Примерами фазовых переходов второго рода являются переход ферромагнетик, сверхпроводящий переход (для сверхпроводника типа I фазовый переход второго рода при нулевом внешнем поле и для Сверхпроводник типа II, фазовый переход второго рода как для переходов нормальное состояние - смешанное и смешанное состояние - сверхпроводящее состояние), так и для перехода сверхтекучий. В отличие от вязкости, тепловое расширение и теплоемкость аморфных материалов показывают относительно внезапное изменение температуры стеклования, что обеспечивает точное обнаружение с использованием измерений дифференциальной сканирующей калориметрии. Лев Ландау дал феноменологическую теорию фазовых переходов второго рода.

Помимо отдельных простых фазовых переходов, существуют линии перехода, а также многокритические точки при изменении внешних параметров, таких как магнитное поле или состав.

Некоторые переходы известны как фазовые переходы бесконечного рода. Они непрерывны, но не нарушают симметрии. Самый известный пример - переход Костерлица – Таулеса в двумерной XY-модели. Многие квантовые фазовые переходы, например, в двумерных электронных газах, относятся к этому классу.

переход жидкость – стеклование наблюдается во многих полимерах и других жидкостях, которые могут быть переохлаждены намного ниже точки плавления кристаллической фазы.. Это нетипично в нескольких отношениях. Это не переход между термодинамическими основными состояниями: широко распространено мнение, что истинное основное состояние всегда кристаллическое. Стекло представляет собой состояние закаленного беспорядка, и его энтропия, плотность и т.д. зависят от тепловой истории. Следовательно, стеклование - это прежде всего динамическое явление: при охлаждении жидкости внутренние степени свободы последовательно выходят из равновесия. Некоторые теоретические методы предсказывают лежащий в основе фазовый переход в гипотетическом пределе бесконечно больших времен релаксации. Нет прямых экспериментальных данных, подтверждающих существование этих переходов.

Было показано, что переход в гелеобразование коллоидных частиц является фазовым переходом второго рода в неравновесных условиях.

Характерные свойства

Сосуществование фаз

Уширенный беспорядком переход первого рода происходит в конечном диапазоне температур, где доля низкотемпературной равновесной фазы увеличивается от нуля до единицы (100%) при понижении температуры. Это непрерывное изменение сосуществующих фракций с температурой открыло интересные возможности. При охлаждении некоторые жидкости превращаются в стекло, а не переходят в равновесную кристаллическую фазу. Это происходит, если скорость охлаждения выше, чем критическая скорость охлаждения, и объясняется тем, что молекулярные движения становятся настолько медленными, что молекулы не могут перестроиться в кристаллические положения. Это замедление происходит ниже температуры стеклования T g, которая может зависеть от приложенного давления. Если переход замораживания первого рода происходит в диапазоне температур и T g попадает в этот диапазон, то существует интересная возможность того, что переход останавливается, когда он частичный и неполный. Распространение этих идей на магнитные переходы первого рода, которые задерживаются при низких температурах, привело к наблюдению неполных магнитных переходов с сосуществованием двух магнитных фаз вплоть до самой низкой температуры. Впервые сообщалось в случае перехода от ферромагнетика к антиферромагнетику, а теперь о таком устойчивом сосуществовании фаз сообщалось при различных магнитных переходах первого рода. К ним относятся манганитные материалы с колоссальным магнитосопротивлением, магнитокалорические материалы, материалы с магнитной памятью формы и другие материалы. Интересная особенность этих наблюдений T g, попадающих в температурный диапазон, в котором происходит переход, состоит в том, что магнитный переход первого рода находится под влиянием магнитного поля, так же как на структурный переход влияет давление. Относительная легкость, с которой можно управлять магнитными полями, в отличие от давления, повышает вероятность того, что можно исчерпывающим образом изучить взаимодействие между T g и T c. Сосуществование фаз при магнитных переходах первого рода позволит решить нерешенные проблемы с понимающими очками.

Критические точки

В любой системе, содержащей жидкую и газовую фазы, существует особая комбинация давления и температуры, известная как критическая точка, в которой происходит переход между жидкость и газ становится переходом второго рода. Вблизи критической точки жидкость достаточно горячая и сжатая, поэтому различия между жидкой и газовой фазами практически не существует. Это связано с явлением критической опалесценции, молочного цвета жидкости из-за флуктуаций плотности на всех возможных длинах волн (включая видимый свет).

Симметрия

Фазовые переходы часто связаны с процессом нарушения симметрии. Например, охлаждение жидкости до кристаллического твердого вещества нарушает непрерывную трансляционную симметрию : каждая точка в жидкости имеет одинаковые свойства, но каждая точка в кристалле не имеет одинаковых свойства (если точки не выбраны из узлов кристаллической решетки). Обычно высокотемпературная фаза содержит больше симметрий, чем низкотемпературная фаза из-за спонтанного нарушения симметрии, за исключением некоторых случайных симметрий (например, образование тяжелых виртуальные частицы, которые возникают только при низких температурах).

Параметры порядка

Параметр порядка - это мера степени порядка на границах в система фазовых переходов; обычно он находится в диапазоне от нуля в одной фазе (обычно выше критической точки) до ненулевого значения в другой. В критической точке параметр порядка восприимчивость обычно расходится.

Примером параметра порядка является суммарная намагниченность в ферромагнитной системе, претерпевающей фазовый переход. Для переходов жидкость / газ параметром порядка является разница плотностей.

С теоретической точки зрения параметры порядка возникают из-за нарушения симметрии. Когда это происходит, необходимо ввести одну или несколько дополнительных переменных для описания состояния системы. Например, в фазе ферромагнетика необходимо обеспечить суммарную намагниченность, направление которой было выбрано самопроизвольно, когда система остыла ниже точки Кюри. Однако обратите внимание, что параметры порядка также могут быть определены для переходов, не нарушающих симметрию.

Некоторые фазовые переходы, такие как сверхпроводящий и ферромагнитный, могут иметь параметры порядка для более чем одной степени свободы. В таких фазах параметр порядка может принимать форму комплексного числа, вектора или даже тензора, величина которого стремится к нулю при фазовом переходе.

Существуют также двойные описания фазовых переходов в терминах параметров беспорядка. Они указывают на наличие линейных возбуждений, таких как вихревые - или дефектные линии.

Актуальность в космологии

Фазовые переходы, нарушающие симметрию, играют важную роль в космологии. По мере расширения и охлаждения Вселенной вакуум претерпел серию фазовых переходов, нарушающих симметрию. Например, электрослабый переход нарушил SU (2) × U (1) -симметрию электрослабого поля на U (1) -симметрию современного электромагнитного поля. Этот переход важен для понимания асимметрии между количеством вещества и антивещества в современной Вселенной (см. электрослабый бариогенез ).

Прогрессивные фазовые переходы в расширяющейся Вселенной участвуют в развитии порядка во Вселенной, как показано в работах Эрика Чейссона и Дэвида Лейзера.

См. Также теории относительного порядка и порядок и беспорядок.

Критические показатели и классы универсальности

Непрерывные фазовые переходы легче изучать, чем переходы первого рода из-за отсутствия скрытая теплота, и было обнаружено, что они обладают многими интересными свойствами. Явления, связанные с непрерывными фазовыми переходами, называются критическими явлениями из-за их связи с критическими точками.

Оказывается, непрерывные фазовые переходы можно охарактеризовать параметрами, известными как критические показатели. Наиболее важным из них, возможно, является показатель степени, описывающий расхождение тепловой корреляционной длины при приближении к переходу. Например, рассмотрим поведение теплоемкости вблизи такого перехода. Мы изменяем температуру T системы, сохраняя при этом все остальные термодинамические переменные фиксированными, и обнаруживаем, что переход происходит при некоторой критической температуре T c. Когда T близко к T c, теплоемкость C обычно имеет поведение степенного закона :

C ∝ | Т с - Т | - α. {\ displaystyle C \ propto | T _ {\ text {c}} - T | ^ {- \ alpha}.}{\ displaystyle C \ propto | T _ {\ text {c}} - T | ^ { - \ альфа}.}

Теплоемкость аморфных материалов имеет такое поведение вблизи температуры стеклования, когда универсальный критический показатель α = 0,59 Аналогичное поведение, но с показателем ν вместо α, применяется для длины корреляции.

Показатель ν положительный. С α все иначе. Его фактическое значение зависит от типа рассматриваемого фазового перехода.

Широко распространено мнение, что критические показатели одинаковы выше и ниже критической температуры. Теперь было показано, что это не обязательно так: когда непрерывная симметрия явно нарушается до дискретной из-за несущественной (в смысле ренормгруппы) анизотропии, тогда некоторые показатели (такие как γ {\ displaystyle \ gamma }\ gamma , показатель восприимчивости) не идентичны.

Для −1 < α < 0, the heat capacity has a "kink" at the transition temperature. This is the behavior of liquid helium at the лямбда-перехода из нормального состояния в сверхтекучее состояние, для которого эксперименты нашли α = -0,013 ± 0,003. По крайней мере, один эксперимент был проведен в условиях невесомости орбитального спутника, чтобы минимизировать перепады давления в образце. Это экспериментальное значение α согласуется с теоретическими предсказаниями, основанными на вариационной теории возмущений.

. Для 0 < α < 1, the heat capacity diverges at the transition temperature (though, since α < 1, the enthalpy stays finite). An example of such behavior is the 3D ferromagnetic phase transition. In the three-dimensional модели Изинга для одноосных магнитов подробные теоретические исследования дали показатель степени α ≈ +0,110.

Некоторые модельные системы не подчиняются степенному закону. Например, теория среднего поля предсказывает конечный разрыв теплоемкости при температуре перехода, а двумерная модель Изинга имеет логарифмическую дивергенцию. Однако эти системы являются ограничивающими случаями и исключением из правил. Реальные фазовые переходы демонстрируют степенной характер.

Несколько других критических показателей, β, γ, δ, ν и η, определены, исследуя поведение степенного закона измеряемой физической величины вблизи фазового перехода. Показатели связаны между собой масштабными соотношениями, такими как

β = γ / (δ - 1), ν = γ / (2 - η). {\ displaystyle \ beta = \ gamma / (\ delta -1), \ quad \ nu = \ gamma / (2- \ eta).}{\ displaystyle \ beta = \ gamma / (\ delta -1), \ quad \ nu = \ gamma / (2- \ eta).}

Можно показать, что существует только два независимых показателя степени, например ν и η.

Примечательно, что фазовые переходы, возникающие в разных системах, часто имеют одинаковый набор критических показателей. Это явление известно как универсальность. Например, было обнаружено, что критические показатели в критической точке жидкость-газ не зависят от химического состава жидкости.

Что еще более впечатляюще, но понятно сверху, они точно соответствуют критическим показателям ферромагнитного фазового перехода в одноосных магнитах. Говорят, что такие системы принадлежат к одному классу универсальности. Универсальность - это предсказание теории фазовых переходов ренормгруппы, которая утверждает, что термодинамические свойства системы вблизи фазового перехода зависят только от небольшого числа характеристик, таких как размерность и симметрия, и нечувствительны к лежащим в основе микроскопическим свойствам системы. Опять же, существенным моментом является расхождение корреляционной длины.

Критическое замедление и другие явления

Существуют также другие критические явления; например, помимо статических функций есть еще и критическая динамика. Как следствие, при фазовом переходе может наблюдаться критическое замедление или ускорение. Большие классы статической универсальности непрерывного фазового перехода разделяются на более мелкие классы динамической универсальности. Помимо критических показателей существуют универсальные соотношения для определенных статических или динамических функций магнитных полей и отклонений температуры от критического значения.

Теория перколяции

Другим явлением, которое демонстрирует фазовые переходы и критические показатели, является перколяция. Самый простой пример - это, возможно, перколяция в двумерной квадратной решетке. Сайты заняты случайным образом с вероятностью p. При малых значениях p занятые узлы образуют только небольшие кластеры. При определенном пороге p c образуется гигантский кластер, и мы имеем фазовый переход второго рода. Поведение P ∞ вблизи p c равно P ∞ ~ (p - p c), где β - критический показатель.

Фазовые переходы в биологических системах

Фазовые переходы играют важную роль в биологических системах. Примеры включают образование липидного бислоя, переход клубок-глобула в процессе сворачивания белка и плавление ДНК, жидкокристаллическое переходы в процессе конденсации ДНК и кооперативного связывания лиганда с ДНК и белками с характером фазового перехода.

В биологических мембранах фазовые переходы из геля в жидкие кристаллы играют решающую роль в физиологическое функционирование биомембран. В гелеобразной фазе из-за низкой текучести жирно-ацильных цепей мембранных липидов мембранные белки имеют ограниченное движение и, таким образом, сдерживаются при выполнении своей физиологической роли. Растения критически зависят от фотосинтеза тилакоидными мембранами хлоропластов, которые подвергаются воздействию низких температур окружающей среды. Тилакоидные мембраны сохраняют врожденную текучесть даже при относительно низких температурах из-за высокой степени жирно-ацильного нарушения, обусловленного высоким содержанием линоленовой кислоты, 18-углеродной цепи с 3-двойными связями. Температуру фазового перехода из геля в жидкий кристалл биологических мембран можно определить с помощью многих методов, включая калориметрию, флуоресценцию, спин-метку электронный парамагнитный резонанс и ЯМР путем записи измерения рассматриваемого параметра при серии температур образца. Также был предложен простой метод его определения по интенсивностям линий ЯМР 13-C.

Было высказано предположение, что некоторые биологические системы могут находиться вблизи критических точек. Примеры включают нейронные сети в сетчатке саламандры, сети экспрессии генов птичьих стай у дрозофилы и сворачивание белков. Однако неясно, могут ли альтернативные причины объяснить некоторые явления, подтверждающие аргументы в пользу критичности. Также было высказано предположение, что биологические организмы разделяют два ключевых свойства фазовых переходов: изменение макроскопического поведения и когерентность системы в критической точке.

Характерной чертой фазовых переходов второго рода является появление фракталы в некоторых безмасштабных свойствах. Давно известно, что белковые глобулы формируются при взаимодействии с водой. Есть 20 аминокислот, которые образуют боковые группы в белковых пептидных цепях, от гидрофильных до гидрофобных, в результате чего первые располагаются около глобулярной поверхности, а вторые - ближе к глобулярному центру. Двадцать фракталов были обнаружены в связанных с растворителем областях поверхности>5000 сегментов белка. Существование этих фракталов доказывает, что белки функционируют вблизи критических точек фазовых переходов второго рода.

В группах организмов, находящихся в состоянии стресса (при приближении к критическим переходам), корреляции имеют тенденцию увеличиваться, в то же время увеличиваются и колебания. Этот эффект подтверждается многими экспериментами и наблюдениями за группами людей, мышей, деревьев и травянистых растений.

Экспериментальный

Для изучения различных эффектов применяются различные методы. Выбранные примеры:

См. также
Ссылки
Дополнительная литература
Внешние ссылки
Викискладе есть материалы, связанные с фазовыми изменениями.
Последняя правка сделана 2021-06-01 11:56:33
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Соглашение О проекте Обратная связь
2026, Альфапедия. Список материалов:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25