Важным разделом термодинамики является изучение превращений между различными фазами вещества, поскольку эти процессы происходят на практике и имеют принципиальное значение для прогнозирования поведения системы в тех или иных условиях. Эти превращения получили название фазовых переходов, которым и посвящается статья.

Понятие фазы и компонента системы

Прежде чем перейти к рассмотрению фазовых переходов в физике, следует определить понятие самой фазы. Как известно из курса общей физики, существует три состояния вещества: газообразное, твердое и жидкое. В специальном же разделе науки - в термодинамике - законы формулируются для фаз вещества, а не для их агрегатных состояний. Под фазой понимают некоторый объем материи, который обладает гомогенной структурой, характеризуется конкретными физико-химическими свойствами и отделен от остальной материи границами, которые называются межфазными.

Таким образом, понятие "фаза" несет гораздо больше практически значимой информации о свойствах материи, чем ее агрегатное состояние. Например, твердое состояние такого металла, как железо, может находиться в виде следующих фаз: низкотемпературная магнитная объемно-центрированная кубическая (ОЦк), низкотемпературная немагнитная ОЦК, гранецентрированная кубическая (ГЦК) и высокотемпературная немагнитная ОЦК.

Помимо понятия "фаза", в законах термодинамики также используют термин "компоненты", под которым понимают количество химических элементов, которые составляют конкретную систему. Это значит, что фаза может быть как монокомпонентной (1 химический элемент), так и многокомпонентной (несколько химических элементов).

Теорема Гиббса и равновесие между фазами системы

Для понимания фазовых переходов необходимо знать условия равновесия между ними. Эти условия можно математически получить, если решить систему уравнений Гиббса для каждой из них, полагая, что состояние равновесия достигается тогда, когда суммарная энергия Гиббса изолированной от внешнего влияния системы перестает изменяться.

В итоге решения указанной системы уравнений получаются условия для существования равновесия между несколькими фазами: изолированная система перестанет эволюционировать только тогда, когда давления, химические потенциалы каждого компонента и температуры во всех фазах будут равны друг другу.

Правило фаз Гиббса для равновесия

Система, состоящая из нескольких фаз и компонентов, может находиться в равновесии не только при определенных условиях, например, при конкретном значении температуры и давления. Некоторые переменные в теореме Гиббса для равновесия можно изменять, сохраняя и число фаз, и число компонентов, находящихся в этом равновесии. Количество переменных, которые можно изменять, не нарушая равновесия в системе, называется числом свобод этой системы.

Число свобод l системы, состоящей из f фаз и k компонентов, определяется однозначно из правила фаз Гиббса. Это правило математически записывается так: l + f = k + 2. Как работать с этим правилом? Очень просто. Например, известно, что система состоит из f=3 равновесных фаз. Какое минимальное количество компонентов может содержать такая система? Ответить на вопрос можно, рассуждая следующим образом: в случае равновесия самые жесткие условия существуют тогда, когда оно реализуется только при определенных показателях, то есть изменение любого термодинамического параметра повлечет нарушения равновесия. Это означает, что число свобод l=0. Подставляя известные значения l и f, получаем k=1, то есть система, в которой в равновесии находятся три фазы, может состоять из одного компонента. Ярким примером является тройная точка воды, когда лед, жидкая вода и пар существуют в равновесии при конкретных значениях температуры и давления.

Классификация фазовых превращений

Если начинать изменять в находящейся в равновесии системе некоторые то можно наблюдать, как одна фаза будет исчезать, а другая появляться. Простым примером этого процесса является таяние льда при его нагреве.

Учитывая, что уравнение Гиббса зависит только от двух переменных (давление и температура), а фазовый переход предполагает изменение этих переменных, тогда математически превращение между фазами может быть описано путем дифференцирования энергии Гиббса по ее переменным. Именно такой подход и использовал австрийский физик Пауль Эренфест в 1933 году, когда составлял классификацию всех известных термодинамических процессов, идущих с изменением фазового равновесия.

Из основ термодинамики следует, что первая производная энергии Гиббса по температуре равна изменению энтропии системы. Производная энергии Гиббса по давлению равна изменению объема. Если при изменении фаз в системе энтропия или объем терпят разрыв, то есть меняются резко, тогда говорят о фазовом переходе первого рода.

Далее, вторые производные энергии Гиббса по температуре и давлению - это теплоемкость и коэффициент объемного расширения соответственно. Если превращение между фазами сопровождается разрывом в значениях указанных физических величин, тогда говорят о фазовом переходе второго рода.

Примеры превращений между фазами

Существует огромное количество различных переходов в природе. В рамках указанной классификации яркими примерами переходов первого рода являются процессы плавления металлов или конденсации водяного пара из воздуха, когда происходит скачок объема в системе.

Если говорить о переходах второго рода, то яркими примерами являются трансформация железа из магнитного в парамагнитное состояние при температуре 768 ºC или превращение металлического проводника в сверхпроводящее состояние при температурах, близких к абсолютному нулю.

Уравнения, которые описывают переходы первого рода

На практике часто бывает необходимо знать, как изменяется температура, давление и поглощаемая (выделяемая) энергия в системе, когда в ней происходят фазовые превращения. Для этой цели используются два важных уравнения. Они получены исходя из знаний основ термодинамики:

1. Формула Клапейрона, которая устанавливает связь между давлением и температурой во время превращений между разными фазами.
2. Формула Клаузиуса, которая связывает поглощаемую (выделяемую) энергию и температуру системы в ходе превращения.

Польза обоих уравнений состоит не только в получении количественных зависимостей физических величин, но и в определении знака наклона кривых равновесия на фазовых диаграммах.

Уравнение для описания переходов второго рода

Фазовые переходы 1 и 2 рода описываются разными уравнениями, поскольку применение и Клаузиуса для переходов второго рода приводит к математической неопределенности.

Для описания последних используются уравнения Эренфеста, которые устанавливают связь между изменениями давления и температуры через знание изменения теплоемкости и коэффициента объемного расширения в ходе процесса превращения. Применяются уравнения Эренфеста для описания переходов проводник - суперпроводник в отсутствии магнитного поля.

Важность фазовых диаграмм

Фазовые диаграммы представляют собой графическое изображение областей, в которых существуют в равновесии соответствующие фазы. Эти области разделены линиями равновесия между фазами. Часто используются фазовые диаграммы на осях P-T (давление-температура), T-V (температура-объем) и P-V (давление-объем).

Важность фазовых диаграмм заключается в том, что они позволяют предсказать, в какой фазе будет находиться система при изменении внешних условий соответствующим образом. Эта информация используется при термической обработке различных материалов с целью получения структуры с заданными свойствами.

Введение.

Фазами называют однородные различные части физико-химических систем. Однородным является вещество, когда все параметры состояния вещества одинаковы во всех его объемах, размеры которых велики по сравнению с межатомными состояниями. Смеси различных газов всегда составляют одну фазу, если во всем объеме они находятся в одинаковых концентрациях.

Одно и то же вещество в зависимости от внешних условий может быть в одном из трех агрегатных состояний - жидком, твердом или газообразном. В зависимости от внешних условий может находиться в одной фазе, либо сразу в нескольких фазах. В окружающей нас природе мы особенно часто наблюдаем фазовые переходы воды. Например: испарение, конденсация. Существуют такие условия давления и температуры, при которых вещество находится в равновесии в различных фазах. Например, при сжижении газа в состоянии равновесия фаз объем, может быть каким угодно, а температура перехода связана с давлением насыщенного пара. Температуры, при которых происходят переходы из одной фазы в другую, называются температурами перехода. Они зависят от давления, хотя и в различной степени: температура плавления - слабее, температура парообразования и сублимации - сильнее. При нормальном и постоянном давлении переход происходит при определенном значении температуры, и здесь имеют место точки плавления, кипения и сублимации (или возгонки.). Сублимация - это переход вещества из твердого состояния в газообразное можно наблюдать, например, в оболочках кометных хвостов. Когда комета находится далеко от солнца, почти вся ее масса сосредоточена в ее ядре, имеющем размеры 10-12 километров. Ядро, окруженное небольшой оболочкой газа - это так называемая голова кометы. При приближении к Солнцу ядро и оболочки кометы начинают нагреваться, вероятность сублимации растет, а десублимации - уменьшается. Вырывающиеся из ядра кометы газы увлекают за собой и твердые частицы, голова кометы увеличивается в объеме и становится газопылевой по составу.

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(?ф 2 /?T 2), сжимаемость в=-(1/V 0)(? 2 ф/?p 2), коэффициент теплового расширения б=(1/V 0)(? 2 ф/?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: p/T=q/TV. 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.

Р, т-ре Т и др. параметрам, меняются скачком при непрерывном изменении этих параметров. При этом выделяется или поглощается теплота перехода. В однокомпонентной системе т-ра перехода T 1 связана с р 1 Клапейрона - Клаузиуса уравнением dp 1 /dT 1 = = QIT 1 DV, где Q - теплота перехода, DV - скачок объема. Для фазовых переходов I рода характерны гистерезисные явления (напр., перегрев или переохлаждение одной из фаз), необходимые для образования зародышей другой фазы и протекания фазовых переходов с конечной скоростью. В отсутствие устойчивых зародышей перегретая (переохлажденная) фаза находится в состоянии метастабильного (см. ). Одна и та же фаза может существовать (хотя и метастабильно) по обе стороны от точки перехода на (однако кристаллич. фазы нельзя перегреть выше т-ры или ). В точке фазовых переходов I рода G как ф-ция непрерывна (см. рис. в ст. ), а обе фазы могут сосуществовать сколь угодно долго, т. е. имеет место т. наз. фазовое расслоение (напр., сосуществование и ее или и при заданном полном объеме системы).

Ф азовые переходы I рода - широко распространенные в природе явления. К ним относятся и из газовой в жидкую фазу, и затвердевание, и (десублимация) из газовой в твердую фазу, большинство полиморфных превращений, нек-рые структурные переходы в , напр, образование мартенсита в - . В чистых достаточно сильное магн. поле вызывает фазовые переходы I рода из сверхпроводящего в нормальное состояние.

При фазовых переходах II рода сама величина G и первые производные G по T, р и др. меняются непрерывно, а вторые производные (соотв. , коэф. и термич. расширения) при непрерывном изменении параметров меняются скачком либо сингулярны. Теплота не выделяется и не поглощается, явления гистерезиса и метаста-бильные состояния отсутствуют. К фазовым переходам II рода, наблюдаемым при изменении т-ры, относятся, напр., переходы из парамагнитного (неупорядоченного) состояния в магнитоупо-рядоченное (ферро- и ферримагнитное в , антиферромагнитное в ) с появлением спонтанной намагниченности (соотв. во всей решетке или в каждой из магн. подрешеток); переход - с появлением спонтанной ; возникновение упорядоченного состояния в (в упорядочивающихся ); переход смектич. в нематич. фазу, сопровождающийся аномальным ростом , а также переходы между разл. смектич. фазами; l -переход в 4 He, сопровождающийся возникновением аномально высокой и сверхтекучести (см. ); переход в сверхпроводящее состояние в отсутствие магн. поля.

Фазовые переходы могут быть связаны с изменением . Многие в-ва при малых кристаллизуются в неплотноупако-ванные структуры. Напр., структура представляет собой ряд далеко отстоящих друг от друга слоев . При достаточно высоких таким рыхлым структурам соответствуют большие значения , а меньшим значениям отвечают равновесные плотноупако-ванные фазы. Поэтому при больших переходит в . Квантовые 4 He и 3 He при нормальном остаются жидкими вплоть до самых низких из достигнутых т-р вблизи абс. нуля. Причина этого - в слабом взаимод. и большой амплитуде их "нулевых колебаний" (высокой вероятности квантового туннелирования из одного фиксированного положения в другое). Однако повышение приводит к затвердеванию жидкого ; напр., 4 He при 2,5 МПа образует гексаген, плотноупакован-ную решетку.

Общая трактовка фазовых переходов II рода предложена Л. Д. Ландау в 1937. Выше точки перехода система, как правило, обладает более высокой , чем ниже точки перехода, поэтому фазовый переход II рода трактуется как точка изменения . Напр., в выше направления спиновых магн. моментов частиц распределены хаотически, поэтому одновременное вращение всех вокруг одной и той же оси на одинаковый угол не меняет физ. св-в системы. Ниже точки перехода имеют преимуществ. ориентацию, и совместный их поворот в указанном выше смысле изменяет направление магн. момента системы. В двухкомпо-нентном , к-рого А и В расположены в узлах простой кубич. кристаллич. решетки, неупорядоченное состояние характеризуется хаотич. распределением А и В по узлам решетки, так что сдвиг решетки на один период не меняет св-в. Ниже точки перехода располагаются упорядочено: ...ABAB... Сдвиг такой решетки на период приводит к замене всех А на В и наоборот. T. обр., решетки уменьшается, т. к. подрешетки, образуемые А и В, становятся неэквивалентными.

Появляется и исчезает скачком; при этом нарушение можно охарактеризовать физ. величиной, к-рая при фазовых переходах II рода изменяется непрерывно и наз. параметром порядка. Для чистых таким параметром является плотность, для р-ров - состав, для ферро- и - спонтанная намагниченность, для сегне-тоэлектриков - спонтанная электрич. , для - доля упорядочившихся для смектич. - амплитуда волны плотности и т. п. Во всех перечисленных случаях при т-рах выше точки фазовых переходов II рода параметр порядка равен нулю, ниже этой точки начинается его аномальный рост, приводящий к макс. значению при T = O.

Отсутствие теплоты перехода, скачков плотности, и , характерное для фазовых переходов II рода, наблюдается и в критич. точке на кривых фазовых переходов I рода (см. ). Сходство оказывается очень глубоким. Состояние в-ва около критич. точки также можно охарактеризовать величиной, играющей роль параметра порядка. Напр., в случае - таким параметром служит отклонение плотности в-ва от критич. значения: при движении по критич. изохоре со стороны высоких т-р однороден и отклонение плотности от критич. значения равно нулю, а ниже критич. т-ры в-во расслаивается на две фазы, в каждой из к-рых отклонение плотности от критической не равно нулю.

Поскольку вблизи точки фазового перехода II рода фазы мало отличаются друг от друга, возможно существование флуктуации параметра порядка, точно так же, как вблизи критич. точки. С этим связаны критич. явления в точках фазовых переходов II рода: аномальный рост магн. восприимчивости и диэлектрич. восприимчивости (аналогом является рост вблизи критич. точки перехода - ); резкий рост ; аномальное рассеяние световых волн в системе

Фазовый переход (фазовое превращение) в термодинамике - переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий. С точки зрения движения системы по фазовой диаграмме при изменении её интенсивных параметров (температуры , давления и т. п.), фазовый переход происходит, когда система пересекает линию, разделяющую две фазы. Поскольку разные термодинамические фазы описываются различными уравнениями состояния, всегда можно найти величину, которая скачкообразно меняется при фазовом переходе.

Поскольку разделение на термодинамические фазы - более мелкая классификация состояний, чем разделение по агрегатным состояниям вещества, то далеко не каждый фазовый переход сопровождается сменой агрегатного состояния. Однако любая смена агрегатного состояния есть фазовый переход.

Наиболее часто рассматриваются фазовые переходы при изменении температуры, но при постоянном давлении (как правило равном 1 атмосфере). Именно поэтому часто употребляют термины «точка» (а не линия) фазового перехода, температура плавления и т. д. Разумеется, фазовый переход может происходить и при изменении давления, и при постоянных температуре и давлении, но при изменении концентрации компонентов (например, появление кристалликов соли в растворе, который достиг насыщения).

Классификация фазовых переходов

При фазовом переходе первого рода скачкообразно изменяются самые главные, первичные экстенсивные параметры: удельный объём, количество запасённой внутренней энергии, концентрация компонентов и т. п. Подчеркнём: имеется в виду скачкообразное изменение этих величин при изменении температуры, давления и т. п., а не скачкообразное изменение во времени (насчёт последнего см. ниже раздел Динамика фазовых переходов).

Наиболее распространённые примеры фазовых переходов первого рода:

• плавление и затвердевание
• кипение и конденсация
• сублимация и десублимация

При фазовом переходе второго рода плотность и внутренняя энергия не меняются, так что невооружённым глазом такой фазовый переход может быть незаметен. Скачок же испытывают их производные по температуре и давлению: теплоёмкость , коэффициент теплового расширения, различные восприимчивости и т. д.

Фазовые переходы второго рода происходят в тех случаях, когда меняется симметрия строения вещества (симметрия может полностью исчезнуть или понизиться). Описание фазового перехода второго рода как следствие изменения симметрии даётся теорией Ландау. В настоящее время принято говорить не об изменении симметрии, но о появлении в точке перехода параметра порядка, равного нулю в менее упорядоченной фазе и изменяющегося от нуля (в точке перехода) до ненулевых значений в более упорядоченной фазе.

Наиболее распространённые примеры фазовых переходов второго рода: прохождение системы через критическую точку

• переход парамагнетик-ферромагнетик или парамагнетик-антиферромагнетик (параметр порядка - намагниченность)
• переход металлов и сплавов в состояние сверхпроводимости (параметр порядка - плотность сверхпроводящего конденсата)
• переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние (п.п. - плотность сверхтекучей компоненты)
• переход аморфных материалов в стеклообразное состояние

Современная физика исследует также системы, обладающие фазовыми переходами третьего или более высокого рода.

В последнее время широкое распространение получило понятие квантовый фазовый переход, т.е. фазовый переход, управляемый не классическими тепловыми флуктуациями, а квантовыми, которые существуют даже при абсолютном нуле температур, где классический фазовый переход не может реализоваться вследствие теоремы Нернста.

Динамика фазовых переходов

Как сказано выше, под скачкообразным изменением свойств вещества имеется в виду скачок при изменении температуры и давления. В реальности же, воздействуя на систему, мы изменяем не эти величины, а её объем и её полную внутреннюю энергию . Это изменение всегда происходит с какой-то конечной скоростью, а значит, что для того, чтобы «покрыть» весь разрыв в плотности или удельной внутренней энергии, нам требуется некоторое конечное время. В течение этого времени фазовый переход происходит не сразу во всём объёме вещества, а постепенно. При этом в случае фазового перехода первого рода выделяется (или забирается) определённое количество энергии, которая называется теплотой фазового перехода. Для того, чтобы фазовый переход не останавливался, требуется непрерывно отводить (или подводить) это тепло, либо компенсировать его совершением работы над системой.

В результате, в течение этого времени точка на фазовой диаграмме, описывающая систему, «замирает» (т.е. давление и температура остаются постоянными) до полного завершения процесса.

Литература

• Базаров И. П. Термодинамика. - М.: Высшая школа, 1991, 376 с.
• Базаров И. П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. Изд. 2-ое испр. - М.: Едиториал УРСС, 2003. 120 с.
• Квасников И. А. Термодинамика и статистическая физика. Т.1: Теория равновесных систем: Термодинамика. - Том.1. Изд. 2, испр. и доп. - М.: УРСС, 2002. 240 с.
• Стенли. Г. Фазовые переходы и критические явления. - М.: Мир, 1973.
• Паташинский А. З., Покровский В. Л. Флуктуационная теория фазовых переходов. - М.: Наука, 1981.
• Гуфан Ю. М.. Термодинамическая теория фазовых переходов. - Ростов н/Д: Издательство Ростовского университета, 1982. - 172 с.

переходы в-ва из одной фазы в другую при изменении параметров состояния, характеризующих термодинамич. равновесие. Значение т-ры, давления или к.-л. др. физ. величины, при к-ром происходят Ф. п. в одно-компонентной системе, наз. точкой перехода. При Ф. п. I рода св-ва, выражаемые первыми производными энергии Гиббса G по давлению р, т-ре Т и др. параметрам, меняются скачком при непрерывном изменении этих параметров. При этом выделяется или поглощается теплота перехода. В однокомпонентной системе т-ра перехода 1 связана с давлением р 1 Клапейрона - Клаузиуса уравнением dp 1 /dT 1 = = QIT 1 DV, где Q - теплота перехода, DV - скачок объема. Для Ф. п. I рода характерны гистерезисные явления (напр., перегрев или переохлаждение одной из фаз), необходимые для образования зародышей другой фазы и протекания Ф. п. с конечной скоростью. В отсутствие устойчивых зародышей перегретая (переохлажденная) фаза находится в состоянии метастабильного равновесия (см. Зарождение новой фазы). Одна и та же фаза может существовать (хотя и метастабильно) по обе стороны от точки перехода на диаграмме состояния (однако кристаллич. фазы нельзя перегреть выше т-ры плавления или сублимации). В точке F. p. I рода энергия Гиббса G как ф-ция параметров состояния непрерывна (см. рис. в ст. Диаграмма состояния), а обе фазы могут сосуществовать сколь угодно долго, т. е. имеет место т. наз. фазовое расслоение (напр., сосуществование жидкости и ее пара или твердого тела и расплава при заданном полном объеме системы).

Ф. п. I рода - широко распространенные в природе явления. К ним относятся испарение и конденсация из газовой в жидкую фазу, плавление и затвердевание, сублимация и конденсация (десублимация) из газовой в твердую фазу, большинство полиморфных превращений, нек-рые структурные переходы в твердых телах, напр, образование мартенсита в сплаве железо - углерод. В чистых сверхпроводниках достаточно сильное магн. поле вызывает Ф. п. I рода из сверхпроводящего в нормальное состояние.

При Ф. п. II рода сама величина G и первые производные G по T, р и др. параметрам состояниям меняются непрерывно, а вторые производные (соотв. теплоемкость, коэф. сжимаемости и термич. расширения) при непрерывном изменении параметров меняются скачком либо сингулярны. Теплота не выделяется и не поглощается, явления гистерезиса и метаста-бильные состояния отсутствуют. К F.п. II рода, наблюдаемым при изменении т-ры, относятся, напр., переходы из парамагнитного (неупорядоченного) состояния в магнитоупо-рядоченное (ферро- и ферримагнитное в Кюри точке, антиферромагнитное в Нееля точке) с появлением спонтанной намагниченности (соотв. во всей решетке или в каждой из магн. подрешеток); переход диэлектрик - сегнетоэлектрик с появлением спонтанной поляризации; возникновение упорядоченного состояния в твердых телах (в упорядочивающихся сплавах); переход смектич. жидких кристаллов в нематич. фазу, сопровождающийся аномальным ростом теплоемкости, а также переходы между разл. смектич. фазами; l-переход в 4 He, сопровождающийся возникновением аномально высокой теплопроводности и сверхтекучести (см. Гелий); переход металлов в сверхпроводящее состояние в отсутствие магн. поля.

F. п. могут быть связаны с изменением давления. Многие в-ва при малых давлениях кристаллизуются в неплотноупако-ванные структуры. Напр., структура графита представляет собой ряд далеко отстоящих друг от друга слоев атомов углерода. При достаточно высоких давлениях таким рыхлым структурам соответствуют большие значения энергии Гиббса, а меньшим значениям отвечают равновесные плотноупако-ванные фазы. Поэтому при больших давлениях графит переходит в алмаз. Квантовые жидкости 4 He и 3 He при нормальном давлении остаются жидкими вплоть до самых низких из достигнутых т-р вблизи абс. нуля. Причина этого - в слабом взаимод. атомов и большой амплитуде их "нулевых колебаний" (высокой вероятности квантового туннелирования из одного фиксированного положения в другое). Однако повышение давления приводит к затвердеванию жидкого гелия; напр., 4 He при 2,5 МПа образует гексаген, плотноупакован-ную решетку.

Общая трактовка F. п. II рода предложена Л. Д. Ландау в 1937. Выше точки перехода система, как правило, обладает более высокой симметрией, чем ниже точки перехода, поэтому F. p. П рода трактуется как точка изменения симметрии. Напр., в ферромагнетике выше точки Кюри направления спиновых магн. моментов частиц распределены хаотически, поэтому одновременное вращение всех спинов вокруг одной и той же оси на одинаковый угол не меняет физ. св-в системы. Ниже точки перехода спины имеют преимуществ. ориентацию, и совместный их поворот в указанном выше смысле изменяет направление магн. момента системы. В двухкомпо-нентном сплаве, атомы к-рого А и В расположены в узлах простой кубич. кристаллич. решетки, неупорядоченное состояние характеризуется хаотич. распределением А и В по узлам решетки, так что сдвиг решетки на один период не меняет св-в. Ниже точки перехода атомы сплава располагаются упорядочено: ...ABAB... Сдвиг такой решетки на период приводит к замене всех атомов А на В и наоборот. T. обр., симметрия решетки уменьшается, т. к. подрешетки, образуемые атомами А и В, становятся неэквивалентными.

Симметрия появляется и исчезает скачком; при этом нарушение симметрии можно охарактеризовать физ. величиной, к-рая при Ф. п. II рода изменяется непрерывно и наз. параметром порядка. Для чистых жидкостей таким параметром является плотность, для р-ров - состав, для ферро- и ферримагнетиков - спонтанная намагниченность, для сегне-тоэлектриков - спонтанная электрич. поляризация, для сплавов - доля упорядочившихся атомов для смектич. жидких кристаллов - амплитуда волны плотности и т. п. Во всех перечисленных случаях при т-рах выше точки Ф. п. II рода параметр порядка равен нулю, ниже этой точки начинается его аномальный рост, приводящий к макс. значению при T = O.

Отсутствие теплоты перехода, скачков плотности, и концентраций, характерное для Ф. п. II рода, наблюдается и в критич. точке на кривых Ф. п. I рода (см. Критические явления). Сходство оказывается очень глубоким. Состояние в-ва около критич. точки также можно охарактеризовать величиной, играющей роль параметра порядка. Напр., в случае равновесия жидкость - пар таким параметром служит отклонение плотности в-ва от критич. значения: при движении по критич. изохоре со стороны высоких т-р газ однороден и отклонение плотности от критич. значения равно нулю, а ниже критич. т-ры в-во расслаивается на две фазы, в каждой из к-рых отклонение плотности от критической не равно нулю.

Поскольку вблизи точки Ф. п. II рода фазы мало отличаются друг от друга, возможно существование флуктуации параметра порядка, точно так же, как вблизи критич. точки. С этим связаны критич. явления в точках Ф. п. II рода: аномальный рост магн. восприимчивости ферромагнетиков и диэлектрич. восприимчивости сегнетоэлектриков (аналогом является рост сжимаемости вблизи критич. точки перехода жидкость - пар); резкий рост теплоемкости; аномальное рассеяние световых волн в системе жидкость - пар (т. наз. критич. опалесценция), рентгеновских лучей в твердых телах, нейтронов в ферромагнетиках. Существенно меняются и динамич. процессы, что связано с очень медленным рассасыванием образовавшихся флуктуации. Напр., вблизи критич. точки жидкость - пар сужается линия рэлеевского рассеяния света, вблизи точек Кюри и Нееля соотв. в ферромагнетиках и антиферромагнетиках замедляется спиновая диффузия (происходящее по законам диффузии распространение избыточной намагниченности). Средний размер флуктуации (корреляционный радиус) растет по мере приближения к точке Ф. п. II рода и становится в этой точке аномально большим. Это означает, что любая часть в-ва в точке перехода "чувствует" изменения, произошедшие в остальных частях. Наоборот, вдали от точки перехода II рода флуктуации статистически независимы и случайные изменения состояния в данной части системы не сказываются на св-вах других ее частей.

Деление Ф. п. на два рода несколько условно, т. к. бывают Ф. п. I рода с малыми скачками параметра порядка и малыми теплотами перехода при сильно развитых флуктуациях. Это наиб, характерно для переходов между жидкокристаллич. фазами. Чаще всего это Ф. п. I рода, очень близкие к Ф. п. П рода. Поэтому они, как правило, сопровождаются критич. явлениями. Природа многих Ф. п. в жидких кристаллах определяется взаимод. неск. параметров порядка, связанных с разл. типами симметрии. В нек-рых орг. соед. наблюдаются т. наз. возвратные жидкокристаллич. фазы, появляющиеся при охлаждении ниже т-р существования первичных нема-тич., холестерич. и смектич. фаз.

Особая точка на фазовой диаграмме, в к-рой линия переходов I рода превращается в линию переходов П рода, наз. трикритич. точкой. Трикритич. точки обнаружены на линиях Ф. п. в сверхтекучее состояние в р-рах 4 He - 3 He, на линиях ориентационных переходов в галогенидах аммония, на линии переходов нематич. жидкий кристалл - смектич. жидкий кристалл и в др. системах.

Лит.: Бrаут Р., Фазовые переходы, пер. с англ., M., 1967; Ландау Л. Д., Лифшиц E.M., Статистическая физика, ч. 1, 3 изд., M., 1976; Пикин С. А., Структурные превращения в жидких кристаллах, M., 1981; Паташинский А. 3., Покровский В. Л., Флуктуационная теория фазовых переходов, 2 изд., M., 1982; Анисимов M. А., Критические явления в жидкостях и жидких кристаллах, M., 1987. М. А. Анисимов.

• - - особый класс магнитных фазовых переходов, при к-рыхменяется ориентация осей лёгкого намагничивания магнетиков при изменениивнеш. параметров...

  Физическая энциклопедия

• - в ускорителях - совокупность взаимосвязанных колебаний фаз, радиусов орбит и энергий заряж. частиц вблизи их равновесных значений. Для практич...

  Физическая энциклопедия

• - искажения формы сигнала, обусловленные нарушением фазовых соотношений в его частотном спектре...

  Физическая энциклопедия

• Химическая энциклопедия

• - скачкообразные переходы квантовой системы из одного возможного состояния в другое. Квантовые переходы могут быть излучательными и безызлучательными...

  Современная энциклопедия

• Естествознание. Энциклопедический словарь

• - - сооружаются на опорах при пересечении водных и др. преград, при прокладке трубопроводов на заболоченных, обводнённых, многолетнемёрзлых грунтах...

  Геологическая энциклопедия

• - напряжения, возникающие при фазовых превращениях металлов и сплавов в твердом состоянии вследствие различий в удельных объемах образующейся и исходной фаз. Смотри также: - Напряжения - термические...

  Энциклопедический словарь по металлургии

• - см. Мышцы, электрические свойства...

  Энциклопедический словарь Брокгауза и Евфрона

• - в квантовой теории, переходы физической микросистемы из одного состояния в другое, связанные с рождением или уничтожением виртуальных частиц, т. е. частиц, существующих лишь в промежуточных, имеющих...
• - скачкообразные переходы квантовой системы из одного состояния в другое...

  Большая Советская энциклопедия

• - см. Квантовые переходы...

  Большая Советская энциклопедия

• - переходы вещества из одной фазы в другую, происходящие при изменении температуры, давления или под действием каких-либо других внешних факторов...

  Современная энциклопедия

• - скачкообразные переходы квантовой системы из одного возможного состояния в другое...

  Большой энциклопедический словарь

• - Глаголы, обозначающие какую-либо фазу действия...

  Словарь лингвистических терминов

• - ФА́ЗА, -ы,...

  Толковый словарь Ожегова

"ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ" в книгах

Переходы

Переходы Выступая без подготовки, вы сначала говорите о том, что первым пришло вам в голову, затем переходите ко второй идее, после этого – к третьей, а при необходимости – еще дальше. Чтобы речь звучала красиво и непринужденно, используйте специальные

Переходы