Фазовые переходы I и II рода и третье начало термодинамики

ПЛАН

1. Фазовые переходы I и II рода
2. Третье начало термодинамики

Список литературы

1.Фазовые переходы I и II рода

Фазой называется термодинамически равновесное состояние вещества, отличающиеся по физическим свойствам от других возможных равновесных состояний того же вещества. Переход вещества из одной фазы в другую — фазовый переход — всегда связан с качественными изменениями свойств вещества.

Различают фазовые переходы двух родов. Фазовые переходы I рода (кипение, плавление или возгонка) сопровождаются скачкообразными изменениями внутренней энергии и объема (поглощением или выделением скрытого тепла перехода). При этих фазовых переходах первые производные свободной энергии являются разрывной функцией, т.к. энергия и объем являются первыми производными от свободной энергии по температуре и давлению.

Фазовые переходы I рода характеризуются постоянством температуры, изменениями энтропии и объема. 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 соответствует кристаллическому состоянию, а нижняя ветвь представляет свободную энергию парообразной фазы. При низких температурах свободная энергия кристалла меньше, чем пара, и, следовательно, выгоднее кристаллическое состояние. При высоких температурах, наоборот, выгоднее существование парообразного состояния. Штриховыми линиями показаны области метастабильных, термодинамически неустойчивых состояний системы.

На рисунке 2 изображено поведение внутренней энергии системы, приходящейся на одну молекулу. 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».

До настоящего времени не удается получить описание фазового перехода I рода, одновременно учитывая все состояния системы, из-за огромных математических трудностей. При теоретическом описании фазовых переходов I рода каждую из фаз обычно описывают отдельно. Так, кристаллическую ветвь рассматривают, пользуясь моделью идеального кристалла, то есть предполагая регулярное расположение всех атомов. Для получения парообразной же ветви используется модель идеального газа, предполагающая полный беспорядок в системе. Зависимости, полученные для различных моделей, накладывают друг на друга и исследуют, какая из возможностей реализуется в данных условиях.

Фазовые переходы, не связанные с поглощением или выделением теплоты и изменением объема, называются фазовыми переходами II рода. Эти переходы характеризуются постоянством объема и энтропии, но скачкообразным изменением теплоемкости. Свободная энергия системы при фазовых переходах II рода имеет следующую особенность. Она проявляется в том, что вторые производные — теплоемкость и сжимаемость — становятся бесконечными. Выявление характера этой особенности является одной из наиболее трудных задач статистической физики. Существует всего несколько систем, для которых эта особенность была выяснена. Одной из таких систем является двумерная модель Изинга (модель двумерного ферромагнетика), рассмотренная Л. Онсагером. Изменение энергии ферромагнетика в двумерной модели Изинга происходит хотя и резко, но без скачков (рис. 3). При этом теплоемкость системы обращается в бесконечность по логарифмическому закону: