При подводе или отводе теплоты меняется форма связи между молекулами, вызывая тем самым изменение вещества, то есть происходит фазовое превращение. Для получения холода используют фазовые превращения, протекающие при низких температурах с поглощением теплоты из охлаждаемой среды.
Фазовый переход, по-другому фазовое превращение, в широком смысле означает переход вещества из одной фазы в другую при изменении внешних условий: температуры, давления, магнитного и электрического полей и так далее; в узком смысле — скачкообразное изменение физических свойств при непрерывном изменении внешних параметров. Значение температуры, давления или какой-либо другой физической величины, при котором происходит фазовое превращение, называется точкой перехода.
При фазовых превращениях изменяются:
- Кристаллическая или электронная структура материала.
- Состав материала.
- Состав и структура.
Фазовые превращения бывают первого и второго рода. Наиболее распространённые примеры фазовых переходов первого рода:
1. Плавление (процесс перехода вещества из кристаллического состояния в жидкое с поглощением теплоты) и кристаллизация (процесс фазового перехода вещества из жидкогосостояния в твёрдое кристаллическое с образованием кристаллов).
2. Испарение (процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости при различных температурах) и конденсация (процесс превращения насыщенного пара в жидкость, сопровождающийся отводом выделяемой теплоты).
3. Сублимация (процесс перехода тела из твердого состояния в парообразное, минуя промежуточное жидкое состояние) и десублимация.
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.
Фазовым переходом (превращением) I рода — называют превращение, при котором при бесконечно малом изменении одного из факторов внешнего термодинамического равновесия (температура, давление) появляется бесконечно малое количество новой фазы.
Фазовым переходом (превращением) II рода — называют превращение, при котором при бесконечно малом изменении одного из факторов внешнего термодинамического равновесия (температура, давление) бесконечно мало меняется одно из свойств материала.
Для фазовых переходов I рода существуют — области метастабильного состояния (перегретый пар, переохлажденная жидкость). У фазовых переходов II рода метастабильных состояний нет.
Фазовый переход I рода — широко распространённое в природе явление. К ним относятся: испарение и конденсация, плавление и затвердевание, сублимация и конденсация в твердую фазу, некоторые структурные переходы в твердых телах, напр. образование мартенсита в сплаве железо—углерод. В чистых сверхпроводниках достаточно сильное магнитное поле вызывает фазовый переход I рода из сверхпроводящего в нормальное состояние.
Для фазового перехода II рода характерно — отсутствие скачков плотности вещества, концентрации компонентов, теплоты перехода. Деление фазового перехода на два рода несколько условно, так как бывают фазовые переходы I рода с малыми скачками теплоёмкости и других величин и малыми теплотами перехода при сильно развитых флуктуациях.
Фазовый переход — коллективное явление, происходящее при строго определённых значениях температуры и других величин только в системе, имеющей в пределе сколь угодно большое число частиц. Примером фазового перехода второго рода может служить переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние, переход ферромагнетика в парамагнетик при точке Кюри, переупорядочение кристаллов сплавов и другие.
Характерным примером фазового перехода первого рода может служить переход вещества из одного агрегатного состояния в другое: испарение и конденсация, плавление и кристаллизация, структурный переход графита в алмаз при высоком давлении.
Процессы, в которых протекают фазовые превращения первого рода, широко используются в настоящее время в быту, науке, промышленности, медицине и так далее. Испарение и конденсацию используют для получения дистиллированной воды, очистки спирта и других жидкостей. С помощью этих же процессов осуществляется разделение нефти на бензин, керосин, минеральные масла, битум и другие фракции.
Всем известен способ получения чистой воды методом вымораживания. Водопроводная вода заливается в сосуд и выставляется на мороз. Чистая вода кристаллизуется в нижней части сосуда, водный раствор солей («рассол») сверху, имеющий более низкую температуру кристаллизации, удаляется. Талая и резко охлажденная кипящая вода используется в медицине и биологии. Молекулы воды содержат три атома, образующие треугольник, и представляют собой электрический диполь. В жидком состоянии такие простейшие молекулы могут объединяться в конгломераты (механическое соединение чего-либо разнородного, беспорядочный набор, скопление, смесь.) различной структуры, чем и обусловлено разнообразие физико-химических свойств этого вещества. Талая («живая») вода по своей структуре близка к воде, которая содержится в биологических объектах, поэтому она оказывает благоприятное воздействие на человека и другие живые организмы: при ее использовании, например, повышается всхожесть семян. При резком охлаждении кипящей воды получают так называемую «мертвую воду», свойства которой заметно отличаются от свойств талой воды.
В технологии приготовления чистых полупроводников и металлов используется метод, основанный на испарении и конденсации загрязненного вещества. Для получения, например, чистого селена это вещество, содержащее примеси, нагревают в кварцевой ампуле, из которой удален воздух. Температура кварцевой трубы уменьшается в направлении от нагревателя к вакуумному насосу, поэтому вблизи нагревателя конденсируются примеси, имеющие высокую температуру плавления, вдали – легкоплавкие вещества.
Весьма эффективным способом очистки материалов является метод зонной плавки. Он обычно используется для удаления небольшого количества примесей, которые трудно удалить другими методами. Основной частью установки для рафинирования материала методом зонной плавки является нагреватель, создающий достаточно узкую расплавленную зону в слитке, который подвергается очистке.
В качестве нагревателя удобно использовать несколько витков провода, подсоединенных к генератору напряжения сверхвысокой частоты. Жидкость в расплавленной зоне удерживается силами поверхностного натяжения. Слиток перемещается относительно нагревателя с очень малой скоростью с помощью специального устройства, соответственно расплавленная зона перемещается с одного края слитка на другой. Перемещаясь вдоль образца, расплавленная зона оставляет за собой область затвердевшего раствора, граничащего с жидкостью. Для повышения эффективности метода зонной очистки прохождение расплавленной зоны вдоль образца производится многократно.
Метод зонной плавки позволяет получить материалы с очень высокой степенью очистки. Например, германий может быть получен с содержанием примесей менее 10-7 %. Зонная плавка используется также для получения материалов с равномерно распределенным содержанием примесей, для выращивания монокристаллов и других целей. Для регистрации заряженных частиц в ядерной физике и физике элементарных частиц используют метастабильные состояния вещества. Пересыщенный пар применяют в камере Вильсона. Этот прибор представляет собой замкнутый объем, в котором находится неконденсирующийся газ (например, аргон или азот) и насыщенный пар какой-либо жидкости, например, этилового спирта. При адиабатическом расширении (термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается тепловой энергией с окружающим пространством) объема камеры жидкость переходит в состояние пересыщенного пара.
Заряженная частица, попадающая в объем камеры, создает на своем пути большое количество ионов, которые становятся центрами конденсации жидкости. Вдоль траектории движения частицы образуется видимый след (трек), состоящий из капелек жидкости. Этот трек можно сфотографировать. Камера Вильсона обычно помещается в магнитное поле, и по характеру криволинейной траектории можно определить заряд, энергию и др. параметры заряженной частицы.
Нужна помощь в написании доклада?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
В пузырьковой камере для наблюдения треков ионизирующих частиц используют перегретую жидкость. Эта камера представляет собой толстостенный сосуд объемом до нескольких кубометров, в котором под большим давлением находится тщательно очищенный сжиженный газ (природный газ, искусственно сжиженный, путём охлаждения до −160 °C, для облегчения хранения и транспортировки; сжиженными газами являются пропан, гелий, фреоны, углекислый газ и т. п.). Жидкость находится первоначально при температуре, большей температуры кипения.
В ходе эксперимента давление в камере сбрасывается, и рабочее вещество на короткое время переходит в состояние перегретой жидкости. При попадании в камеру ионизирующей частицы вдоль ее траектории образуется след из пузырьков пара, который может быть сфотографирован. Пузырьковая камера также обычно помещается в магнитное поле. Преимуществом пузырьковой камеры перед камерой Вильсона является высокая плотность рабочего вещества, что делает возможным наблюдение частиц очень высокой энергии.
Большое значение в металлургии и машиностроении имеют фазовые превращения железа. Железо образует несколько кристаллических модификаций. Расплавленное железо при кристаллизации сначала проходит фазу δ-железа, затем при температуре ниже 1401 ºС переходит в γ-железо. Оба этих фазовых состояния образует решетку с элементарной ячейкой в виде объемно-центрированного куба. При температуре несколько ниже 900 ºС γ-железо превращается в α-железо; последнее имеет уже гранецентрированную элементарную ячейку.
Широко используемая в промышленности сталь представляет собой раствор углерода и других легирующих добавок в железе. При медленном охлаждении расплавленной (или нагретой выше 1000 ºС) стали до комнатной температуры образуется перлит или феррит, основу которых составляет α-железо. Эти материалы имеют низкую твердость, легко поддаются обработке резанием. При резком охлаждении (закалке) стали, нагретой выше 1000 ºС, получают материал, в котором железо сохраняет γ–фазу (тростит, мартенсит, аустенит). Такая сталь имеет повышенную твердость, не поддается резанию обычными инструментами, хрупка и обладает низкой пластичностью.
При изготовлении интегральных схем и других радиокомпонентов в полупроводниковой технологии широко применяется метод термического испарения материалов в вакууме и последующего перехода пара в твердое или аморфное состояние. В полупроводниковых датчиках температуры (термисторах) используется изменение электропроводности некоторых полупроводниковых материалов при переходе от одной кристаллической модификации к другой вследствие изменения температуры. В космической технике необходимо при выборе конструкционных материалов учитывать скорость их сублимации при низком давлении.
При хранении скоропортящихся продуктов в экологическом плане очень удобно охлаждать их с помощью так называемого «сухого льда» – твердой углекислоты. При атмосферном давлении это вещество сублимирует, охлаждая продукты до –78 С. Никакой жидкости (в отличие от обычного льда) при этом не образуется.