Два типа фазовых переходов и третье начало термодинамики

Два типа фазовых переходов и третье начало термодинамики

Переходы первого рода характеризуются бесконечно большим возрастанием теплоемкости в очень узкой области вокруг точки перехода.

Физическая причина этого состоит в том, что добавление теплоты к системе в точке фазового перехода не повышает температуру системы, а расходуется на перестройку системы. В качестве примера на рисунке 1 показана температурная зависимость свободной энергии F, приходящейся на одну молекулу кристалла, при его превращении в пар.

Верхняя ветвь отвечает кристаллическому состоянию, а нижняя ветвь представляет свободную энергию парообразной фазы. При низких температурах свободная энергия кристалла меньше, чем пара, и, следовательно, кристаллическое состояние выгоднее. При высоких температурах, наоборот, выгоднее существование парообразного состояния.

Штриховыми линиями показаны области метастабильных, термодинамически неустойчивых состояний системы.

Рис. 1. Температурная зависимость свободной энергии F при фазовом переходе первого рода 'пар-кристалл'.
Поведение внутренней энергии системы, приходящейся на одну молекулу, изображено на рисунке 2. Нижняя ветвь относится к кристаллическому состоянию, а верхняя к парообразному.

Скачок энергии в точке перехода представляет собой поглощаемую скрытую теплоту.

Соответственно теплоемкость в точке фазового перехода первого рода имеет 'всплеск'.

Рис. 2. Изменение энергии E в зависимости от температуры T при фазовом переходе первого рода 'пар-кристалл'.
При теоретическом описании фазовых переходов первого рода каждую из фаз обычно описывают отдельно. Так, кристаллическую ветвь рассматривают, пользуясь моделью идеального кристалла, то есть предполагая регулярное расположение всех атомов.

Парообразную же ветвь получают, используя модель идеального газа, предполагающую полный беспорядок в системе.

Зависимости, полученные для различных моделей, накладывают друг на друга и исследуют, какая из возможностей реализуется в данных условиях.

Получить описание фазового перехода первого рода, одновременно учитывая все состояния системы, до настоящего времени не удается из-за огромных математических трудностей. При переходах второго рода внутренняя энергия вещества и его объем не изменяются в точке перехода и, следовательно, не происходит выделения или поглощения скрытой теплоты.

Однако свободная энергия системы при фазовых переходах второго рода имеет некоторую особенность, которая проявляется в том, что вторые производные - теплоемкость и сжимаемость - становятся бесконечными.

оценка стоимости склада в Твери
оценка станка в Орле
оценка машин для наследства в Брянске