Лекция №1 Введение Фазовый переход жидкость-пар



Дата04.01.2013
Размер68.8 Kb.
ТипЛекция
Лекция №1
Введение

Фазовый переход жидкость-пар

Первое явление, которое мы рассмотрим - сосуществование жидкости и пара. Очень важно, чтобы Вы могли читать соответствующие фазовые диаграммы. Для самого простого случая однокомпонентной жидкости эти фазовые диаграммы в переменных давление - температура и температура - плотность представлены на рисунках. Вы знаете, что двухфазное состояние имеет место в любой точке кривых сосуществования, но при этом невозможно сказать, сколько жидкости или пара сосуществуют в этой точке.

Давайте предположим, что мы имеем сосуд с жидкостью при некотором давлении и температуре. Точка А обозначает соответствующее фазовое состояние флюида. Объем сосуда фиксирован. Очевидно, что при уменьшении температуры, давление также уменьшается. Мы двигаемся вдоль изохоры. В некоторой точке B состояние флюида изменяется: в сосуде появляется новая фаза. Происходит фазовый переход от однородного (однофазного) к неоднородному (двухфазному) состоянию

В этой связи я хочу обратить внимание на два момента.





  1. При дальнейшем уменьшении температуры мы двигаемся по кривой сосуществования. Характер температурной зависимости давления в точке B изменяется. Производная имеет в этой точке скачок. Измеряя эту производную, мы можем найти точки фазового перехода.

  2. Тот же самый процесс показан на плоскости температура - плотность. Кривая сосуществования близка к параболе. Изохора - прямая линия. В точке B в системе появляется вторая фаза. Плотность новой фазы больше чем плотность "материнской" фазы. Поэтому в случае, когда средняя плотность жидкости меньше, чем критическая плотность, состояние в точке А называют газовым, а появляющуюся в точке B фазу - жидкостью.

Если средняя плотность жидкости больше, чем критическая плотность, плотность новой фазы меньше, чем плотность "материнской" фазы. В этом случае состояние в точке А называют жидкостью, а появляющуюся в точке В фазу – паром. Производная в этом случае так же, как и в первом, имеет скачок. Эта ситуация представлена на рисунке 2.

В обоих случаях количество новых фаз, появляющихся в точках перехода начинается с нуля.




Если средняя плотность флюида равна критической, плотность появляющейся фазы близка к плотности «материнской» фазы. Межфазная граница при этом локализована в середине сосуда. Зависимость давления от температуры в этом случае оказывается плавной и, соответственно, скачок производной gif" name="object4" align=left hspace=12 width=750 height=319>
равен нулю. Измеряя скачок этой производной, мы можем найти критическую плотность любой однокомпонентной жидкости.


Фазовый переход парамагнетик-ферромагнетик



Магнитные системы важны для нас в связи с тем, что вся терминология, используемая в теории фазовых переходов, основана на именно этих системах. Давайте рассмотрим небольшой образец, изготовленный из железа, помещенный в магнитное поле (). Пусть - намагниченность этого образца, зависящая от магнитного поля . Очевидно, что уменьшение магнитного поля приводит к уменьшению намагниченности. Могут иметь место две ситуации. Если температура высокая, магнитный момент становится равным нолю, когда магнитная поле имеет стремится к нулю. Зависимость магнитного момента от магнитного поля для этого случая представлена на левом рисунке.






Однако, возможна и другая ситуация, которая реализуется при низких температурах: намагниченность образца, возникшая под влиянием внешнего магнитного поля, сохраняется и при уменьшении этого поля до нуля. (см. Правый рисунок). Эта остаточная намагниченность называется спонтанной намагниченностью ().Существует вполне определенная температура, при которой спонтанная намагниченность появляется впервые. Эта температура называется температурой Кюри. В области температур, ниже температуры Кюри, спонтанная намагниченность оказывается тем большей, чем ниже абсолютная температура.

Намагниченность называется параметром порядка. Магнитное поле, являющееся переменной, термодинамически сопряженной намагниченности , называется упорядочивающим полем. Такие пары сопряженных переменных будут очень важны для дальнейшей теории.

Модель Изинга



Есть очень полезная модель фазового перехода парамагнетик-ферромагнетик. Эта модель называется моделью Изинга. Давайте рассмотрим несжимаемую решетку, в каждом узле которой находится магнитные стрелки. Эти стрелки могут быть направлены или вверх, или вниз. Соседние стрелки взаимодействуют таким


способом что силы, действующие между этими стрелками, стремятся расположить их параллельно друг другу. Я хочу напомнить, что свободная энергия () любой системы равна




Здесь - внутренняя энергия системы, а - энтропия.

Гамильтониан такой системы стрелок может быть записан в виде





где переменная , может принимать только два значения

Мы предполагаем, что энергия взаимодействия стрелок положительна. В этом случае с точки зрения энергии стрелкам выгодно быть параллельными, т.е. чтобы все стрелки смотрели либо вверх, либо все - вниз. Энергия системы в этом случае минимальна. С точки зрения энергии такое состояние наиболее выгодное. Однако, таких полностью упорядоченных состояний всего лишь два (все стрелки – вверх и все стрелки – вниз). В этом смысле такие упорядоченные состояния совершенно невыгодны с точки зрения энтропии. Энтропия «стремится» полностью разупорядочить систему

При высоких температурах энтропия побеждает. В системе имеет место беспорядок и средняя намагниченность равна нулю. (число синих стрелок равно числу красных стрелок). При низких температурах побеждает энергия и в системе возникает спонтанная намагниченность (число синих стрелок равно десяти; а число красных стрелок равно шестнадцати).
Это означает, что в рассмотренной системе существует такая температура, начиная с которой, в системе появляется спонтанная намагниченность

Позже мы увидим, что поведение всех систем около точек фазового перехода полностью универсально. Это очень удобно. Изучая самую простую, какую только мы сможем придумать, систему (например, модель Изинга) около ее критической точки, мы сможем предсказывать физические свойства сложных систем около их точек фазового перехода.
Фазовые переходы и симметрия системы
У всех фазовых переходов есть одна общая и очень важная черта: в точке фазового перехода имеет место радикальное изменение некоторого свойства системы.

Или, другими словами, плавное изменение одного или нескольких параметров системы, например, температуры, приводят к радикальной перестройке системы. Вы можете спросить меня что я подразумеваю под словами “радикальная перестройка?” Мой ответ - "радикальная перестройка" означает изменение симметрии системы.

Для жидкости – в точке фазового перехода жидкость – пар мы имеем переход от однородного к неоднородному состоянию флюида. Для фазового перехода парамагнетик-ферромагнетик мы имеем переход от изотропного состояния к анизотропному.

Однако прежде, чем я начну говорить об конкретных фазовых переходах, мне бы хотелось сказать несколько слов о некоторых определениях и классификации фазовых переходов.

Любой фазовый переход характеризуется некоторой величиной, которая имеет следующее свойство: она равна нулю, когда температура выше некоторой температуры, которая называется критической, и становится отличной от нуля, когда температура оказывается ниже этой критической температуры. Это величина называется параметром порядка и обозначается .

Существуют переходы первого и второго рода. Если при понижении температуры параметр порядка появляется в точке перехода от нуля, соответствующий фазовый переход называется фазовым переходом второго рода.

Если параметр порядка имеет скачок в точке перехода, соответствующий фазовый переход называется фазовым переходом первого рода. Поведение параметра порядка в случае переходов второго и первого рода схематически показано на рисунках.





Фазовый переход второго рода Фазовый переход первого рода


Термодинамическая переменная, сопряженная параметру порядка, называется упорядочивающим полем. Очевидно, что в случае, если упорядочивающее поле отлично от нуля, параметр порядка также отличен от нуля при любой температуре,. Например, если магнитное поле не равно нулю, намагниченность также не равна нулю, не зависимо от того, какова температура системы. Это означает, что фазовый переход отсутствует, если упорядочивающее поле не равно нулю. В случае фазового перехода жидкость – пар заметим, сосуществование жидкости и пара имеет место, если давление равно давлению насыщения (или химический потенциал равен химическому потенциалу на линии насыщенности ). Это означает, что роль упорядочивающего поля в этом случае играют величины или .

Похожие:

Лекция №1 Введение Фазовый переход жидкость-пар iconФазовый переход и Дилатансия в Эксгаляции радона

Лекция №1 Введение Фазовый переход жидкость-пар iconФазовый переход при образовании солитонов и трансформации замкнутой системы термодинамики в открытую систему

Лекция №1 Введение Фазовый переход жидкость-пар iconВодяные пары 15 Основные понятия и определения
Пар – это газ над поверхностью жидкости, а испарение – это переход из жидкой фазы в газообразную (паровую). Кипение – это превращение...
Лекция №1 Введение Фазовый переход жидкость-пар iconИнструкция по применению Индикатор биологический одноразовый для контроля режимов стерилизации и дезинфекции «Биостер» «Биостер пар 112/10»
«Биостер пар 112/10», «Биостер пар 120/8», «Биостер пар 110/180», «Биостер пар 120/45», «Биостер пар 126/45», «Биостер пар 132/20,...
Лекция №1 Введение Фазовый переход жидкость-пар iconФазовый переход
В данной главе рассматриваются основы теплового анализа с учетом фазового перехода. Обсуждаются следующие вопросы
Лекция №1 Введение Фазовый переход жидкость-пар iconПроцЕссы диссоциации и дисоциативный фазовый переход в плотном водороде
Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и утс, 14 – 18 февраля 2011 г
Лекция №1 Введение Фазовый переход жидкость-пар iconУравнения Эренфеста
Поскольку в данном случае претерпевают разрыв первые производные от химического потенциала (соответственно, и от других термодинамических...
Лекция №1 Введение Фазовый переход жидкость-пар iconЛекция №1. Введение. Элементы дифференциальной геометрии. 2 Лекция №2. Свойства скалярных и векторных поле
Лекция №5. Множества Жюлиа, множество Мандельброта и их компьютерное представлени
Лекция №1 Введение Фазовый переход жидкость-пар iconРасчеты термодинамических свойств плотной водородной плазмы квантовым методом монте-карло
Аналогичный фазовый переход с ростом проводимости наблюдается экспериментально в электронно-дырочной плазме полупроводников при низких...
Лекция №1 Введение Фазовый переход жидкость-пар iconВопрос ы к экзамену по курсу «Введение в радиофизику»
Спектральная плотность (спектр) сигнала. Амплитудный и фазовый спектры. Свойства спектральной плотности
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org