Faza o'tishlarini tushunish: To'liq qo'llanma

Faza o'tishlari, shuningdek faza o'zgarishlari deb ham ataladi, tabiatdagi fundamental jarayonlar bo'lib, ularda modda bir agregat holatidan boshqasiga o'tadi. Bu o'tishlar hamma joyda uchraydi, muzning erishi, suvning qaynashi kabi kundalik hodisalarda va hatto koinotni boshqaruvchi murakkab jarayonlarda ham sodir bo'ladi. Ushbu qo'llanma faza o'tishlarining keng qamrovli sharhini taqdim etadi, ularning asosiy tamoyillarini, turli xil turlarini va keng ko'lamli qo'llanilishini o'rganadi.

Faza nima?

Faza o'tishlariga chuqurroq kirishdan oldin, "faza" nima ekanligini tushunish muhim. Faza — bu bir xil fizik xususiyatlarga va kimyoviy tarkibga ega bo'lgan fazo sohasi. Umumiy misollar suvning qattiq, suyuq va gazsimon fazalarini o'z ichiga oladi. Biroq, fazalar bitta agregat holatida ham mavjud bo'lishi mumkin. Masalan, qattiq materialning turli kristall tuzilmalari alohida fazalarni ifodalaydi. Xuddi shunday, yog' va suv bir jinsli aralashmaganligi sababli ikkita alohida fazani hosil qiladi.

Faza o'tishlarining turlari

Faza o'tishlari asosan o'tish paytida o'zgaradigan termodinamik xususiyatlarga ko'ra bir nechta toifalarga bo'linadi. Quyida eng keng tarqalgan turlarining sharhi keltirilgan:

Birinchi tartibli faza o'tishlari

Birinchi tartibli faza o'tishlari entalpiya (issiqlik miqdori) va hajmning o'zgarishini o'z ichiga oladi. Ular yashirin issiqlikning yutilishi yoki ajralib chiqishi bilan tavsiflanadi, bu haroratni o'zgartirmasdan fazani o'zgartirish uchun zarur bo'lgan energiya. Umumiy misollar quyidagilarni o'z ichiga oladi:

Erish: Qattiq holatdan suyuq holatga o'tish, masalan, muzning suvga aylanishi.
Muzlash: Erishning teskarisi, suyuqlikdan qattiq holatga o'tish, masalan, suvning muzga aylanishi.
Qaynash (Bug'lanish): Suyuqlikdan gaz holatiga o'tish, masalan, suvning bug'ga aylanishi.
Kondensatsiya: Qaynashning teskarisi, gazdan suyuqlikka o'tish, masalan, bug'ning suvga aylanishi.
Sublimatsiya: Qattiq holatdan to'g'ridan-to'g'ri gaz holatiga o'tish, masalan, quruq muzning karbonat angidrid gaziga sublimatsiyasi.
Depozitsiya: Sublimatsiyaning teskarisi, gazdan to'g'ridan-to'g'ri qattiq holatga o'tish, masalan, sovuq yuzada qirov hosil bo'lishi.

Birinchi tartibli o'tishlarning asosiy xususiyati o'tish paytida aralash fazali mintaqaning mavjudligidir. Masalan, muz eriyotganda, barcha muz erib bo'lguncha qattiq muz va suyuq suv aralashmasi mavjud bo'ladi. Bu birgalikda mavjudlik, energiya qattiq strukturaning bog'lanishlarini buzish uchun sarflanganligi sababli faza o'zgarishi paytida (erish nuqtasida) harorat doimiy bo'lib qolishini anglatadi.

Ikkinchi tartibli (Uzluksiz) faza o'tishlari

Ikkinchi tartibli faza o'tishlari, shuningdek uzluksiz faza o'tishlari deb ham ataladi, yashirin issiqlik yoki entalpiya va hajmning keskin o'zgarishini o'z ichiga olmaydi. Buning o'rniga, ular tizimdagi tartib darajasini tavsiflovchi tartib parametrining uzluksiz o'zgarishi bilan tavsiflanadi. Misollar quyidagilarni o'z ichiga oladi:

Ferromagnitdan paramagnitga o'tish: Ferromagnit material ma'lum bir haroratdan (Kyuri harorati) yuqorida o'z-o'zidan magnitlanishini yo'qotadi va paramagnit bo'lib qoladi.
O'ta o'tkazuvchanlikka o'tish: Ba'zi materiallar kritik haroratdan pastda barcha elektr qarshiligini yo'qotadi va o'ta o'tkazuvchan holatga kiradi.
Qotishmalardagi tartib-tartibsizlik o'tishlari: Past haroratlarda qotishmadagi atomlar o'zlarini tartiblangan shaklda joylashtirishi mumkin. Harorat oshishi bilan atomlar yanada tartibsizroq taqsimlanadi.

Ushbu o'tishlarda tartib parametri kritik haroratga yaqinlashganda nolga teng bo'lmagan qiymatdan (tartiblangan holat) nolga (tartibsiz holat) uzluksiz o'zgaradi. Kritik nuqta yaqinida tizim kritik hodisalarni namoyon qiladi, bu korrelyatsiya uzunliklarining cheksizlikka intilishi va termodinamik xususiyatlarning darajali qonuniyatlari bilan tavsiflanadi.

Faza diagrammalarini tushunish

Faza diagrammasi — bu moddaning turli harorat va bosim sharoitlaridagi fizik holatlarining grafik tasviridir. Unda odatda bosim (P) y-o'qida va harorat (T) x-o'qida tasvirlanadi. Diagramma har bir fazaning barqaror bo'lgan sohalarini va ikki yoki undan ortiq fazaning muvozanatda birgalikda mavjud bo'lishi mumkin bo'lgan chegaralarni (faza chiziqlari) ko'rsatadi.

Faza diagrammasining asosiy xususiyatlari quyidagilardan iborat:

Faza sohalari: Diagrammadagi bitta faza barqaror bo'lgan hududlar (masalan, qattiq, suyuq, gaz).
Faza chegaralari (Birgalikda mavjudlik egri chiziqlari): Diagrammadagi ikki fazaning muvozanatda bo'lgan chiziqlari. Masalan, qattiq-suyuqlik chizig'i turli bosimlardagi erish/muzlash nuqtasini ifodalaydi.
Uchlanma nuqta: Barcha uch faza (qattiq, suyuq, gaz) muvozanatda birgalikda mavjud bo'lgan nuqta. Suv uchun uchlanma nuqta taxminan 0.01°C va 0.006 atm da joylashgan.
Kritik nuqta: Suyuq-gaz birgalikda mavjudlik egri chizig'ining yakuniy nuqtasi. Kritik nuqtadan yuqorida suyuqlik va gaz o'rtasidagi farq yo'qoladi va modda o'ta kritik suyuqlik sifatida mavjud bo'ladi.

Faza diagrammalari turli sharoitlarda materiallarning xatti-harakatlarini tushunish va bashorat qilish uchun muhim vositalardir. Ular materialshunoslik, kimyo va muhandislikda faza o'tishlarini o'z ichiga olgan jarayonlarni loyihalash va optimallashtirish uchun keng qo'llaniladi.

Misol: Suvning faza diagrammasi Odatdagi suv faza diagrammasi harorat va bosim funksiyasi sifatida qattiq (muz), suyuq (suv) va gaz (bug') fazalari sohalarini ko'rsatadi. Uchlanma nuqta, xuddi kritik nuqta kabi, muhim belgi bo'lib, undan yuqorida suv o'ta kritik suyuqlik sifatida mavjud bo'ladi. Qattiq-suyuqlik chizig'ining manfiy qiyaligi suv uchun noyob bo'lib, nima uchun konkida uchish mumkinligini tushuntiradi; ortgan bosim konkining tagidagi muzni eritib, ishqalanishni kamaytiradigan yupqa suv qatlamini hosil qiladi.

Faza o'tishlari termodinamikasi

Faza o'tishlari termodinamika qonunlari bilan boshqariladi. Eng barqaror faza eng past Gibbs erkin energiyasiga (G) ega bo'lgan fazadir, u quyidagicha aniqlanadi:

G = H - TS

bu yerda H — entalpiya, T — harorat va S — entropiya.

Faza o'tishida ikki fazaning Gibbs erkin energiyalari teng bo'ladi. Bu shart o'tish sodir bo'ladigan muvozanatli harorat yoki bosimni aniqlaydi.

Klauzius-Klapeyron tenglamasi faza chegarasi bo'ylab bosim va harorat o'rtasidagi munosabatni tavsiflaydi:

dP/dT = ΔH / (TΔV)

bu yerda ΔH — entalpiyaning o'zgarishi (yashirin issiqlik) va ΔV — faza o'tishi paytidagi hajmning o'zgarishi. Bu tenglama erish nuqtasi yoki qaynash nuqtasi bosim bilan qanday o'zgarishini tushunish uchun ayniqsa foydalidir. Masalan, muzga bosimni oshirish uning erish nuqtasini biroz pasaytiradi, chunki muzning erishi uchun ΔV manfiy.

Statistik mexanika va faza o'tishlari

Statistik mexanika faza o'tishlarining mikroskopik tushunchasini beradi. U tizimning makroskopik termodinamik xususiyatlarini uning tarkibiy zarralarining xatti-harakatlari bilan bog'laydi. Bo'linish funksiyasi, Z, statistik mexanikada markaziy kattalikdir:

Z = Σ exp(-E_i / (k_BT))

bu yerda E_i — i-chi mikrosxolaning energiyasi, k_B — Boltsman doimiysi va yig'indi barcha mumkin bo'lgan mikrosxolalar bo'yicha olinadi. Bo'linish funksiyasidan barcha termodinamik xususiyatlarni hisoblash mumkin.

Faza o'tishlari ko'pincha bo'linish funksiyasi yoki uning hosilalaridagi singulyarliklar bilan bog'liq. Bu singulyarliklar o'tish nuqtasida tizim xatti-harakatlarida keskin o'zgarish borligini ko'rsatadi.

Misol: Izing modeli Izing modeli — bu faza o'tishlarida statistik mexanika tamoyillarini namoyish etuvchi ferromagnetizmning soddalashtirilgan modelidir. U har biri yuqoriga (+1) yoki pastga (-1) yo'nalgan bo'lishi mumkin bo'lgan spinlar panjarasidan iborat. Spinlar o'z qo'shnilari bilan o'zaro ta'sirlashib, bir xil yo'nalishni afzal ko'radilar. Past haroratlarda spinlar bir xil yo'nalishga moyil bo'lib, ferromagnit holatni keltirib chiqaradi. Yuqori haroratlarda issiqlik tebranishlari bu yo'nalishni buzadi va paramagnit holatga olib keladi. Izing modeli kritik haroratda ikkinchi tartibli faza o'tishini namoyon qiladi.

Faza o'tishlarining qo'llanilishi

Faza o'tishlari turli ilmiy va texnologik sohalarda muhim rol o'ynaydi:

Materialshunoslik: Faza o'tishlarini tushunish kerakli xususiyatlarga ega materiallarni loyihalash va qayta ishlash uchun zarur. Masalan, issiqlik bilan ishlov berish orqali po'latning mikrostrukturasini nazorat qilish faza o'tishlarini boshqarishni o'z ichiga oladi. Qotishmalar ko'pincha ma'lum erish nuqtalariga ega bo'lish yoki ularning mustahkamligi yoki plastikligini oshiradigan faza o'zgarishlariga uchrashi uchun loyihalanadi.
Kimyoviy muhandislik: Faza o'tishlari distillash, bug'lanish va kristallanish kabi ko'plab kimyoviy jarayonlarning markazida turadi. Dunyo bo'ylab qo'llaniladigan distillash aralashmalarni ajratish uchun suyuqliklarning har xil qaynash nuqtalariga tayanadi. Farmatsevtika va ko'plab boshqa materiallarni ishlab chiqarish uchun muhim bo'lgan kristallanish suyuqlikdan qattiq holatga boshqariladigan faza o'tishlariga bog'liq.
Oziq-ovqat fani: Faza o'tishlari oziq-ovqat mahsulotlarining tuzilishi, ta'mi va barqarorligiga ta'sir qiladi. Muzlatish, eritish va pishirishning barchasi faza o'tishlarini o'z ichiga oladi. Muzqaymoqning muzlashini o'ylab ko'ring - muzlatish paytida hosil bo'lgan muz kristallarining hajmi va taqsimlanishi yakuniy tuzilishga katta ta'sir qiladi.
Iqlim fani: Suvning faza o'tishlari Yerning iqlim tizimining asosini tashkil etadi. Bug'lanish, kondensatsiya va yog'ingarchilik — bularning barchasi ob-havo shakllarini va global suv aylanishini boshqaradigan faza o'tishlariga misoldir. Muzliklar va dengiz muzlarining erishi iqlim o'zgarishi kontekstida muhim tashvishdir.
Kosmologiya: Faza o'tishlari ilk koinotda hal qiluvchi rol o'ynagan. Elektrokuchsiz va kvark-glyuon faza o'tishlari Katta Portlashdan keyingi bir necha soniyaning ulushlarida sodir bo'lib, materiyaning fundamental tuzilishini shakllantirgan deb ishoniladi.
O'ta o'tkazuvchanlik: Materiallar nol elektr qarshiligini namoyon qiladigan o'ta o'tkazuvchan holatga o'tish yuqori tezlikdagi poyezdlar, magnit-rezonans tomografiya (MRT) va energiya saqlash kabi ko'plab texnologik qo'llanmalarga ega. Yuqori haroratlarda o'ta o'tkazuvchanlikni namoyon etadigan materiallarni topish bo'yicha tadqiqotlar butun dunyoda davom etmoqda.

Nomuvozanatli faza o'tishlari

Avvalgi muhokama muvozanat sharoitidagi faza o'tishlariga qaratilgan bo'lsa-da, ko'plab real hayotiy jarayonlar nomuvozanatli sharoitlarni o'z ichiga oladi. Bunday hollarda tizim termodinamik muvozanatda bo'lmaydi va faza o'tish dinamikasi yanada murakkablashadi. Misollar quyidagilarni o'z ichiga oladi:

Tez sovutish: Materialni juda tez sovutish metastabil fazalar yoki amorf tuzilmalarning shakllanishiga olib kelishi mumkin.
Haydovchi tizimlardagi faza o'tishlari: Tashqi kuchlar yoki oqimlarga duchor bo'lgan tizimlar muvozanat sharoitida kuzatilmaydigan yangi faza o'tishlarini namoyon qilishi mumkin.
Spinodal parchalanish: Bir jinsli aralashmaning termodinamik beqarorlik tufayli o'z-o'zidan paydo bo'lgan fluktuatsiyalar orqali ikkita fazaga ajralish jarayoni.

Nomuvozanatli faza o'tishlarini tushunish yangi materiallar va texnologiyalarni ishlab chiqish uchun juda muhimdir. Bu faza o'tish jarayonining dinamikasini o'rganish uchun ilg'or nazariy va eksperimental usullarni talab qiladi.

Tartib parametrlari

Tartib parametri — bu faza o'tishiga uchrayotgan tizimdagi tartib darajasini tavsiflovchi kattalik. Odatda u tartiblangan fazada nolga teng bo'lmagan qiymatga ega bo'lib, tartibsiz fazada nolga aylanadi. Tartib parametrlariga misollar quyidagilarni o'z ichiga oladi:

Magnitlanish: Ferromagnetda magnitlanish tartib parametri bo'lib, birlik hajmdagi o'rtacha magnit momentni ifodalaydi.
O'ta o'tkazuvchanlik energiya oralig'i: O'ta o'tkazgichda o'ta o'tkazuvchanlik energiya oralig'i tartib parametri bo'lib, Kuper juftligini buzish uchun zarur bo'lgan energiyani ifodalaydi.
Zichlik: Suyuqlik-gaz o'tishida suyuq va gaz fazalari orasidagi zichlik farqi tartib parametri sifatida xizmat qilishi mumkin.

Kritik nuqta yaqinida tartib parametrining xatti-harakati faza o'tishining tabiatiga oid qimmatli ma'lumotlarni beradi. Kritik ko'rsatkichlar tartib parametri va boshqa termodinamik xususiyatlarning kritik haroratga yaqinlashganda qanday o'lchamlanishini tavsiflaydi.

Kritik hodisalar

Uzluksiz faza o'tishining kritik nuqtasi yaqinida tizim quyidagilar bilan tavsiflanadigan kritik hodisalarni namoyon qiladi:

Cheksizlikka intiluvchi korrelyatsiya uzunligi: Fluktuatsiyalarning fazoviy kengligini o'lchaydigan korrelyatsiya uzunligi kritik nuqtaga yaqinlashganda cheksizlikka intiladi. Bu fluktuatsiyalarning tobora kattaroq masofalarda korrelyatsiyalashishini anglatadi.
Darajali qonuniyat xatti-harakati: Solishtirma issiqlik sig'imi va sezgirlik kabi termodinamik xususiyatlar kritik nuqta yaqinida darajali qonuniyat xatti-harakatini namoyon qiladi. Ushbu darajali qonunlarni boshqaruvchi ko'rsatkichlar kritik ko'rsatkichlar deb ataladi.
Universallik: Turli mikroskopik tafsilotlarga ega bo'lgan tizimlar bir xil kritik xatti-harakatni namoyon qilishi mumkin, ya'ni bir xil universallik sinfiga mansub bo'ladi. Bu kritik ko'rsatkichlar keng doiradagi tizimlar uchun bir xil ekanligini anglatadi.

Kritik hodisalarni o'rganish statistik mexanika va kondensatlangan moddalar fizikasida boy va faol tadqiqot sohasidir.

Kelajakdagi yo'nalishlar

Faza o'tishlari sohasi rivojlanishda davom etmoqda va davom etayotgan tadqiqotlar quyidagilarga qaratilgan:

Yangi materiallar: Topologik faza o'tishlari va kvant faza o'tishlari kabi noyob faza o'tishlarini namoyon etadigan yangi materiallarni kashf etish va tavsiflash.
Nomuvozanatli tizimlar: Ko'plab real hayotiy jarayonlarga tegishli bo'lgan nomuvozanatli tizimlarda faza o'tishlarini chuqurroq tushunishni rivojlantirish.
Hisoblash usullari: Faza o'tishlarini atom darajasida o'rganish uchun molekulyar dinamika simulyatsiyalari va Monte Karlo simulyatsiyalari kabi ilg'or hisoblash usullaridan foydalanish.
Qo'llanilishlar: Energiya saqlash, sezish va biotibbiyot muhandisligi kabi sohalarda faza o'tishlarining yangi qo'llanilishlarini o'rganish.

Xulosa

Faza o'tishlari materiyaning xatti-harakatini boshqaradigan fundamental jarayonlardir. Erish va qaynash kabi kundalik hodisalardan tortib, materialshunoslik va kosmologiyadagi murakkab jarayonlargacha, faza o'tishlari atrofimizdagi dunyoni shakllantirishda muhim rol o'ynaydi. Faza o'tishlarining asosiy tamoyillari va turli xil turlarini tushunish orqali biz yangi texnologiyalarni ishlab chiqishimiz va koinotning tabiati haqida chuqurroq tushunchaga ega bo'lishimiz mumkin.

Ushbu keng qamrovli qo'llanma faza o'tishlarining hayratlanarli dunyosini o'rganish uchun boshlang'ich nuqtani taqdim etadi. Chuqurroq tushunchaga ega bo'lishni istaganlar uchun faza o'tishlarining o'ziga xos turlari, materiallar va qo'llanilishlar bo'yicha qo'shimcha tadqiqotlar o'tkazish tavsiya etiladi.