Фазовые переходы первого и второго рода

1. Фазовые переходы первого  и второго рода.

     Фазовые переходы бывают нескольких родов. 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. 

     Чтобы произошел такой фазовый переход, нужно данной массе вещества пообшить определенное количество тепла, соответствующего скрытой теплоте превращения. В  самом деле, при переходе конденсированной фазы в фазу с меньшей плотностью нужно сообщить некоторое количество энергии в форме теплоты, которое  пойдет на разрушение кристаллической  решетки (при плавлении) или на удаление молекул жидкости друг об друга (при  парообразовании). Во время преобразования скрытая теплота пойдет на преобразование сил сцепления,  интенсивность  теплового движения не изменится, в  результате температура останется  постоянной. При таком переходе степень  беспорядка, следовательно, и энтропия, возрастает. Если процесс идет в  обратном направлении, то скрытая теплота  выделяется. К фазовым переходам  первого рода относятся: превращение  твердого тела в жидкое (плавления) и обратный процесс (кристаллизация), жидкого - в пар (испарение, кипение). Одной кристаллической модификации - в другую (полиморфные превращения). К фазовым переходам второго рода относится: переход нормального проводника в сверхпроводящее состояние, гелий-1 в сверхтекучий гелий-2, ферромагнетика – в парамагнетик. Такие металлы, как железо, кобальт, никель и гадолиний, выделяются своей способностью сильно намагничиваются и долго сохранять состояние намагниченности. Их называют ферромагнетиками. Большинство металлов (щелочные и щелочноземельные металлы и значительная часть переходных металлов) слабо намагничиваются и не сохраняют это состояние вне магнитного поля – это парамагнетики. Фазовые переходы второго, третьего и так далее родов связаны с порядком тех производных термодинамического потенциала ∂ф, которые испытывают конечные измерения в точке перехода, Такая классификация фазовых превращений связана с работами физика - теоретика Пауля Эрнеста (1880 -1933). Так, в случае фазового перехода  второго рода в точке перехода испытывают скачки производные второго порядка: теплоемкость при постоянном давлении Cp=-T(∂ф²/∂T²), сжимаемость в=-(1/V₀)(∂²ф/∂p²), коэффициент теплового расширения б=(1/V₀)(∂²ф/∂Tp), тогда как первые производные остаются непрерывными. Это означает отсутствие выделения (поглощения) тепла и изменения удельного объема (ф - термодинамический потенциал).

     Состояние фазового равновесия характеризуется  определенной связью между температурой фазового превращения и давлением. Численно эта зависимость для  фазовых переходов даётся уравнением Клапейрона-Клаузиуса: Dp/DT=q/TDV. Исследования при низких температурах – очень важный раздел физики. Дело в том, что таким образом можно избавиться от помех связанных с хаотическим тепловым движением и изучать явления в “чистом” виде. Особенно  важно это при исследовании квантовых закономерностей. Обычно из-за хаотического теплового движения происходит усреднение физической величины по большому числу её различных значений и квантовые скачки “смазываются”.

     Низкие  температуры (криогенные температуры), в физике и криогенной технике  диапазон температур ниже 120°К (0°с=273°К); работы Карно (работал над тепловым двигателем) и Клаузиуса положили начало исследованиям свойств газов и паров, или технической термодинамике. В 1850 году Клаузиус заметил, что насыщенный водяной пар при расширении частично конденсируется, а при сжатии переходит в перегретое состояние. Особый вклад в развитие этой научной дисциплины внес Реню. Собственный объем молекул газа при комнатной температуре составляет примерно одну тысячную объема, занимаемого газом. Кроме того, молекулы притягиваются друг к другу на расстояниях, превышающих те, с которых начинается их отталкивание.