1 II.5. Przemiany fazowe II.5.1. Co to jest przemiana fazowa? Każda substancja o danym składzie chemicznym może występować w różnych stanach skupienia. Właściwości tej samej substancji w stałym stanie skupienia zależą od wzajemnego ułożenia atomów/cząsteczek i mogą się zasadniczo różnić, pomimo identycznego składu chemicznego. W jednym i drugim przypadku mówimy, że substancja występuje w określonej fazie. Zmiana fazy, jaka następuje wskutek zmiany przynamniej jednego z parametrów zewnętrznych, jak: temperatura, ciśnienie, pole elektryczne lub pole magnetyczne, to przemiana fazowa . Siłą napędową przemiany fazowej jest różnica energii Gibbsa substancji w dwóch fazach: przed i po przemianie: (II.5.1) gdzie indeksy i dotyczą odpowiednio stanów: początkowego i końcowego. Przemiana fazowa jest przejściem między dwoma stanami równowagi. Ma miejsce wtedy, gdy przynamniej część układu może, w wyniku przemiany, osiągnąć stan o niższej energii. Pojęcie przemiana fazowa obejmuje: a) Zmiany stanu skupienia (parowanie, sublimacja, resublimacja itd.); b) Przemiany strukturalne w fazie stałej (przemiany alotropowe i polimorficzne); c) Przemiany ze zmianą składu chemicznego (na przykład przemiany perytektyczne); d) Przemiany metalurgiczne (na przykład martenzytyczne); e) Przemiany związane ze zmianą struktury elektronowej kryształu (na przykład przemiany do stanu nadprzewodzącego); f) Przemiany porządek - nieporządek (na przykład w stopach); g) Przemiany w ciekłych kryształach. Przemianom fazowym towarzyszy z reguły szereg zjawisk fizycznych. Wskutek przemiany, zmieniają się właściwości substancji, jej budowa atomowa, przewodnictwo elektryczne, współczynnik załamania światła czy moment magnetyczny. Większości przemian towarzyszy ciepło przemiany (oddane lub pochłonięte) oraz nieciągłość zmian parametrów stanu (jak gęstość albo polaryzacja). Mniej liczną grupę stanowią przemiany, w których takich nieciągłości się nie obserwuje. Niezależnie od dość oczywistych różnic, przemiany fazowe posiadają wiele wspólnych cech i podlegają podobnym prawidłowościom. Pozwala to sformułować ogólne kryteria klasyfikacji wszystkich przemian. Najczęściej stosujemy kryteria:
(…)
… metastabilności fazy ciekłej, – zakres metastabilności fazy
gazowej, – faza niestabilna; - punkt krytyczny, - temperatura krytyczna
Izotermy van der Waalsa, dla temperatur niższych od temperatury krytycznej, mają złożony
przebieg. Charakteryzuje je obecność tak zwanej pętli van der Waalsa, przechodzącej przez
lokalne minimum przy i lokalne maksimum przy . Na odcinku zależności ,
pomiędzy minimum i maksimum, mamy…
… temperatury krytycznej, kształt zależności staje się
bardziej złożony. Funkcja osiąga minimum przy dwóch składach :
(II.5.45)
oraz
, (II.5.46)
Dla składu położonego pomiędzy i ( - skład w punkcie krytycznym), mamy
maksimum:
, (II.5.47)
W otoczeniu minimum, funkcja jest wklęsła, w otoczeniu maksimum – wypukła.
Pomiędzy trzema punktami ekstremalnymi (odpowiednio: minimum, maksimum i minimum)
obecne…
… (na
przykład temperatury), są funkcjami ciągłymi, natomiast - ta pochodna jest w punkcie
przemiany nieciągła. Najczęstsze są przemiany fazowe pierwszego rodzaju, rzadsze –
przemiany drugiego i wyższych rzędów. Przemiany fazowe pierwszego rodzaju to przemiany
nieciągłe, pozostałe przemiany są przemianami ciągłymi. Termodynamiczna klasyfikacja
dostarcza użytecznego opisu różnych przypadków przemian. Jej wadą…
… wykazują drugie pochodne.
Takie rozróżnienie ma swoje konsekwencje dla makroskopowych właściwości faz, pomiędzy
którymi odbywa się przejście.
Przyjmując oznaczenia: , oraz ,
6
możemy dla przemian fazowych pierwszego rodzaju napisać:
, (II.5.5)
oraz podobnie dla pochodnych względem i .
Jednocześnie, z zastosowaniem równań Maxwella, i , otrzymujemy
(Rys. II.5.3):
, oraz (II.5.6)
Rysunek II.5.3
Zmiana…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)