Реферат: Два типа фазовых переходов и третье начало термодинамики
РЕФЕРАТ
По
___________________ ФИЗИКЕ____________________
НА ТЕМУ:
Два типа фазовых переходов,
И
Третье начало термодинамики
____________________________________________________
Курс :__1__ Группа __1__
Специальность __2104__
Ф. И. О. МАГАРАМОВ СУЛТАН
Студента ____________________________________________
ГЕОРГИЕВСК 2003
ПЛАН
1 Два типа фазовых переходов...........................................................3
2 Третье началотермодинамики ......................................................6
3 Использованнаялитература...........................................................7
Два типа фазовых переходов
Существуетдва типа фазовых переходов — первого и второго рода. Обычные фазовые переходы,подобные кипению, плавлению или возгонке, сопровождаются скачкообразнымиизменениями внутренней энергии и объема (поглощением или выделением скрытоготепла перехода). Поскольку энергия и объем являются первыми производными отсвободной энергии по температуре и давлению, то при этих фазовых переходахпервые производные свободной энергии являются разрывной функцией. Это послужилооснованием назвать такие превращения фазовыми переходами первого рода.
Переходы первого родахарактеризуются бесконечно большим возрастанием теплоемкости в очень узкойобласти вокруг точки перехода. Физическая причина этого состоит в том, чтодобавление теплоты к системе в точке фазового перехода не повышает температурусистемы, а расходуется на перестройку системы. В качестве примера на рисунке 1показана температурная зависимость свободнойэнергии F, приходящейся на однумолекулу кристалла, при его превращении в пар. Верхняя ветвь отвечаеткристаллическому состоянию, а нижняя ветвь представляет свободную энергиюпарообразной фазы. При низких температурах свободная энергия кристалла меньше,чем пара, и, следовательно, кристаллическое состояние выгоднее. При высокихтемпературах, наоборот, выгоднее существование парообразного состояния.Штриховыми линиями показаны области метастабильных, термодинамическинеустойчивых 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 относитсяк кристаллическому состоянию, а верхняя к парообразному. Скачок энергии в точкеперехода представляет собой поглощаемую скрытую теплоту. Соответственнотеплоемкость 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 переходовпервого рода каждую из фаз обычно описывают отдельно. Так, кристаллическуюветвь рассматривают, пользуясь моделью идеального кристалла, то естьпредполагая регулярное расположение всех атомов. Парообразную же ветвьполучают, используя модель идеального газа, предполагающую полный беспорядок всистеме. Зависимости, полученные для различных моделей, накладывают друг надруга и исследуют, какая из возможностей реализуется в данных условиях.Получить описание фазового перехода первого рода, одновременно учитывая всесостояния системы, до настоящего времени не удается из-за огромныхматематических трудностей.
При переходах второго родавнутренняя энергия вещества и его объем не изменяются в точке перехода и,следовательно, не происходит выделения или поглощения скрытой теплоты. Однакосвободная энергия системы при фазовых переходах второго рода имеет некоторуюособенность, которая проявляется в том, что вторые производные — теплоемкость исжимаемость — становятся бесконечными. Выявление характера этой особенности — одна из наиболее трудных задач статистическойфизики. Существует всего несколько систем,для которых эта особенность была выяснена. Одной из таких систем являетсядвумерная модель Изинга (модель двумерного ферромагнетика), рассмотренная Л.Онсагером ]. Изменение энергии ферромагнетика в двумерной моделиИзинга происходит хотя и резко, но без скачков (рис. 3). При этом теплоемкостьсистемы обращается в бесконечность по логарифмическому закону:
/>
Рис. 3. Изменение энергии E в зависимости от температуры T при фазовом переходе второго рода в двумерной модели Изинга.
/>.
(1)
Ход теплоемкости показан на рисунке 4. Форма кривой теплоемкости напоминаетгреческую букву />, поэтому такиепереходы иногда называют />-переходами.Быстрый, но непрерывный подъем теплоемкости показывает, что система начинаетпроцесс своей реорганизации задолго до достижения точки перехода.
/>
Рис. 4. Ход теплоемкости C в зависимости от температуры T при фазовом переходе второго рода в двумерной модели Изинга.
ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ.
Открытиетретьего начала термодинамики связано с нахождением химического средства — величины, характеризующих способность различных веществ химически реагироватьдруг с другом. Эта величина определяется работой W химических сил при реакции. Первое и второе начало термодинамики позволяютвычислить химическое средство W только с точностью донекоторой неопределенной функции. Чтобы определить эту функцию нужны вдополнении к обоим началам термодинамики новые опытные данные о свойствах тел.Поэтому Нернстоном были предприняты широкие экспериментальные исследованияповедение веществ при низкой температуре .
В результатеэтих исследований и было сформулировано третье начало термодинамики : помере приближения температуры к 0 К энтропия всякой равновесной системы приизотермических процессах перестает зависить от каких-либо термодинамическихпараметров состояния и в пределе ( Т= 0 К) принимает одну и туже для всех системуниверсальную постоянную величину, которую можно принять равной нулю .
Общностьэтого утверждения состоит в том, что, во-первых, оно относится к любойравновесной системе и, во-вторых, что при Т стремящемуся к 0 К энтропия независит от значения любого параметра системы. Таким образом по третьему началу,
lin [ S (T,X2) — S (T,X1) ] = 0 (1.12)
или
lim [ dS/dX]T = 0 при Т ® 0 (1.13)
где Х — любойтермодинамический параметр (аi или Аi).
Предельнозначение энтропии, поскольку оно одно и тоже для всех систем, не имеетникакого физического смысла и поэтому полагается равным нулю (постулат Планка).Как показывает статическое рассмотрение этого вопроса, энтропия по своемусуществу определена с точностью до некоторой постоянной (подобно, например,электростатическому потенциалу системы зарядов в какой либо точке поля). Такимобразом, нет смысла вводить некую «абсолютную энтропию», как это делал Планк инекоторые другие ученые.
Использованная литература
В данном реферате
Использовались статьи
Изследующих официальных сайтов :
1) Сайт издательства «Открытые системы Профессионалам » (www.osp.ru).
2) Сайт журнала «Кругосвет». (www.krugosvet.ru).
3) Сайт Научная сеть, (www.nature.ru).
4) Все сайты были найдены, благодаря поисковой системы YANDEX