Fizyka statystyczna/Przemiany fazowe

Fizyka statystyczna

Przemiany fazowe

Licencja
Autor: Mirosław Makowiecki Absolwent UMCS Fizyki Komputerowej Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie Email: miroslaw(kropka)makowiecki(małpa)gmail(kropka)pl Dotyczy: książki, do której należy ta strona, oraz w niej zawartych stron i w nich podstron, a także w nich kolumn, wraz z zawartościami. Użytkownika książki, do której należy ta strona, oraz w niej zawartych stron i w nich podstron, a także w nich kolumn, wraz z zawartościami nie zwalnia z odpowiedzialności prawnoautorskiej nieprzeczytanie warunków licencjonowania. Umowa prawna: Creative Commons: uznanie autorstwa, na tych samych warunkach, z możliwością obowiązywania dodatkowych ograniczeń. Autor tej książki dołożył wszelką staranność, aby informacje zawarte w książce były poprawne i najwyższej jakości, jednakże nie udzielana jest żadna gwarancja, czy też rękojma. Autor nie jest odpowiedzialny za wykorzystanie informacji zawarte w książce, nawet jeśli wywołaby jakąś szkodę, straty w zyskach, zastoju w prowadzeniu firmy, przedsiębiorstwa lub spółki bądź utraty informacji, niezależnie czy autor (a nawet Wikibooks) został powiadomiony o możliwości wystąpienie szkód. Informacje zawarte w książce mogą być wykorzystane tylko na własną odpowiedzialność.

Wykaz modułów w książce
1Fizyka fenomenologiczna 2Zasady termodynamiki fenomenologicznej 3Potencjały termodynamiczne 4Definicja różniczki entropii a jego zupełność 5Związki fizyki fenomenologicznej 6Wstęp do fenomenologicznych równań stanu 7Gazy doskonałe 8Gazy van der Waalsa 9Fenomenologiczna teoria przejść fazowych 10Przemiany fazowe 11Cykle (obiegi) termodynamiczne 12Wprowadzenie do fizyki statystycznej 13Statystyczna termodynamika 14Rozkłady klasyczne w fizyce 15Zespoły statystyczne w fizyce statystycznej klasycznej 16Zespół mikrokanoniczny 17Zespół kanoniczny (T,V,N,t) 18Wielki zespół kanoniczny (T,V,μ,t) 19Przykłady innych zespołów statystycznych kanonicznych w fizyce klasycznej 20Zespoły statystyczne w fizyce statystycznej kwantowej 21Statystyki w fizyce kwantowej 22Statystyki Boltzmanna, Fermiego i Bosego 23Model sieci krystalicznej Debye'a 24Cząstki o innych statystykach 25Idealne gazy kwantowe 26Fluktuacje i ruchy Browna

Spis treści
1Sublimacja,resublimacja-przemiany S-R 2Parowanie, wrzenie, skraplanie-przemiany P-Sk 3Krystalizacja, topnienie-przemiana K-T 4Punkt krytyczny 5Stan nadkrytyczny 6Punkt potrójny 6.1Punkt potrójny wody 7Ciepło przemian fazowych

Następny rozdział: Cykle (obiegi) termodynamiczne. Poprzedni rozdział: Fenomenologiczna teoria przejść fazowych.

Podręcznik: Fizyka statystyczna.

Przemiany fazowe są to przemiany, w którym występuje zmiana fazy gazu, których operujemy, one występują wśród krzywych termodynamicznych stanów równowagi. Gdy faza nie jest w stanie równowagi z pozostałymi fazami, to wtedy nie występuje żadna, że przemian wymienionych poniżej. Strzałki na wykresie oznaczają kierunki przemiany, przy czym nazwy na rysunku są skrótami pierwszych liter nazw przemian. Symbole przemian pojawiają się w tytułach danego zagadnienia, jako przemiany X-Y(np.: S-R), gdzie X(=S) i Y(=R) oznaczają kolejne przemiany między fazami.

Sublimacja,resublimacja-przemiany S-R

Sublimacja Jest to przemiana, w którym występuje przejście, ze stanu stałego w stan gazowy z pominięciem fazy ciekłej. Resublimacja jest to proces odwrotny.

Obie powyższe przemiany występuje, gdy istnieje stan równowagi między ciałem stałym a gazem.

Parowanie, wrzenie, skraplanie-przemiany P-Sk

Parowanie jest przemiana, w której ze stanu ciekłego substancja przechodzi w stan gazowy, w tej przemianie występuje parowanie z powierzchni cieczy

Wrzenie jest to parowanie cieczy z całej objętości, gdy substancja osiągnęła temperaturę wrzenia.

Skraplanie jest to przejście ze stanu gazowego w stan ciekły.

Powyższe przemiany występują, gdy istnieje stan równowagi termodynamicznej między cieczą a gazem.

Krystalizacja, topnienie-przemiana K-T

Krystalizacja jest to przemiana w którym substancja ze stanu ciekłego, przechodzi w stan stały.

Topnienie jest to przemiana w którym występuje przejście substancji ze stanu stałego w stan ciekły. Obie te przemiany występują, gdy istnieje stan równowagi między ciałem stałym a cieczą.

Punkt krytyczny

Punkt krytyczny to warunki krytyczne definiujące stan układu fizycznego oddzielające stany o odmiennych właściwościach (ciecz - para nasycona), w którym nie można rozróżnić obu stanów (cieczy i pary nasyconej). Na przykład: dla czystych substancji - gazów punkt krytyczny oznacza temperaturę krytyczną (i odpowiadające mu ciśnienie krytyczne, czyli maksymalne ciśnienie nad daną cieczą), powyżej której nie można skroplić gazu niezależnie od wielkości ciśnienia. Jest to punkt krytyczny trójwymiarowy (układ o 3 stopniach swobody translacji - 3D). Parametry krytyczne oznacza się często indeksem "cr", "c" lub "kr", czasami z dodatkiem "2D" ("2") lub "3D" ("3") w zależności od tego jakiego układu dotyczą, np. T3c. Dla gazów parametry krytyczne można określić na podstawie współczynników odpowiedniego równania stanu, np. równanie van der Waalsa, w przypadku gazów zaadsorbowanych na powierzchni (układ 2-wymiarowy) warunki krytyczne będą się różniły. Podobnie dla pewnych innych zjawisk związanych z dwoma wymiarami (2D). Wiele tzw. przejść fazowych również zachodzi jedynie w warunkach powyżej lub poniżej pewnych wartości krytycznych, np. gęstości, temperatury, ciśnienia. punkt krytyczny dla ciekłych układów wieloskładnikowych oznacza stan w którym zanika różnica pomiędzy współistniejącymi fazami ciekłymi - dla wielu mieszanin ciekłych istnieją obszary (określone przede wszystkim przez krytyczne temperatury), w których istnieje całkowita mieszalność oraz obszary, gdzie istnieje ograniczenie rozpuszczalności, a więc w pewnym przedziale stężeń współistnieją (zwykle dwie) odrębne fazy - np. faza A nasycona składnikiem B oraz faza B nasycona składnikiem A.

Stan nadkrytyczny

Stan nadkrytyczny - jest to taki stan danej substancji, w którym temperatura i ciśnienie są większe od ciśnienia i temperatury punktu krytycznego danej substancji. W punkcie krytycznym zanika różnica gęstości między fazą ciekłą a gazową danej substancji, więc w stanie nadkrytycznym nie istnieje granica między cieczą a gazem. Z definicji tego stanu wynika, że przez podniesienie ciśnienia nie można skroplić takiej substancji, tak jak jest to możliwe dla gazu poniżej temperatury krytycznej (zwanego parą). Właściwości fizyczne substancji znajdujących się w tym stanie takie jak gęstość, współczynnik dyfuzji, przenikalność elektryczna i lepkość zależą silnie od temperatury i ciśnienia, w znacznie większym stopniu niż w stanie ciekłym, ale mniejszym niż w gazowym.

Punkt potrójny

Jest to punkt na wykresie stanów równowagi, w którym może występować dana substancja w trzech stanach, wtedy substancja w tym punkcje występuje w trzech fazach, według Reguły faz Gibbsa . Występuje ona wyniku przecięcia krzywych równowagi fazowej, tzn.:ciało stałe-ciecz,ciecz-gaz.

Punkt potrójny wody

Jest to stan termodynamiczny, w którym woda występuje w trzech stanach skupienia,tzn.: gaz, ciecz, ciała stałe. Ten stan występuje przy ciśnieniu p=611,73 Pa, temperaturze t=0,01 °C (273,16 K).

Ciepło przemian fazowych

Załóżmy, że nasza substancja ma pewną masę, ta substancja ulega np. parowaniu, topnieniu i inne zjawiskom, w którym występuje przemiana układu z bardziej uporządkowanego do układu mniej uporządkowanego, np.lodu do cieczy lub odwrotnie.

Q=qm\;

(10.1)

gdzie:

$Q\;$ ciepło topnienia (parowania),
$q\;$ współczynnik topnienia
$m\;$ masa ciała, który ma uleć topnieniu.