Фазалық ауысу

Мазмұны

 

 

	Кіріспе	3
1	Фазалық ауысу	4
2	Бірінші текті ауысуға жататын процестер	5
2.1	Булану және қайнау	5
2.2	Конденсация.Қаныққан бу және оның қасиеттері	9
2.3	Балқу және кристалдану	11
3 3.1	Екінші текті фазалық ауысу Екінші текті фазалық ауысу туралы түсінік	13 13
3.2 3.3	Ферромагнетиктер Ферромагнетизм табиғаты	13 16
4 4.1 4.2 4.3 4.4	Фазалар тепе-теңдігінің жағдайы Күй диаграммасы Фазалық тепе-теңдік Фазалық тепе-теңдік термодинамикасы Фазалар ережесі	19 19 20 21 22
	Қорытынды	24
	Қолданған әдебиеттердің тізімі	25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кіріспе

 

Қазіргі кезде табиғат танудың көптеген жеке ғылым салалары бар: физикалық химия, астрофизика, геофизика, биофизика және т.б. Физика өзінің зерттеулерінде осы ғылымдардың жетістіктеріне сүйене отырып, баска табиғат тану ғылымдарына  жетешілік роль атқарады. Басқа табиғат тану ғылымдарының жетістіктеріне  сүйене  отырып,  олардың  алдына жаңа проблемалар  кояды. Сөйтіп  олардың дамуына түрткі болады.    Заттың фазалық ауысуы- бір фазадан келесі фазаға- заттың қасиетінің сапалық өзгеруімен байланысты болады. Фазалық ауысудың екі тегі болады. Бірінші реттік  фазалық ауысуға мынадай процесстер жатады: балқу, кристалдану, булану, конденсациялану …), ол жылудың бөлінуі не жұтылуы арқылы сипатталады. Екінші текті фазалық ауысуға: макроскопиялық магниттік моменттің пайда болуымен бірге жүретін пара-ферромагнетик ауысу, пара-антиферромагнетик ауысу, т.б. жатады. Фазалық ауысу температураның, т.б. шамалардың қатаң анықталған мәндеріндегі бөлшектер санына шек қойылмайтын жүйеде ғана өтетін құбылыс.     Булану жылуы екі бөліктен тұрады. Біріншісі молекуланың беттік қабаттан бөлінуі үшін қажет, ал екінші бөлігі ұлғаю кезіндегі жұмысқа тең. Кебу кезінде будың көлемі алғашқы сұйық күйінен үлкен болады   Қайнау – бұл тек қана ашық беттегi сұйықтың интенсивтi булануы емес, сонымен қатар бу көпiршiктерiн түзетiн қуыс көлемiндегi сұйықтың да интенсивтi булануы.          Егер сұйық бiрқалыпты қыздырылмаған болса, онда су көпiршiктерi қалқып шыққан кезде олардың iшiндегi қысым бу конденсациясының есебiнен азаяды да, көпiршiктер жарылып кетедi. Ал сұйық жеткiлiктi қыздырылған болса, онда көпiршiктер жарылуын тоқтатады да, сұйық бетiне еркiн қалқып шығады. Сұйық қайнайды        Фазалық өту заттың ішкі энергиясының өзгерісіне байланысты және фазалық түрлену жылуын жұту (немесе шығару) арқылы жүреді, яғни балқу (кристалдану) жылуы, булану (конденсациялану), сублимация (десублимация) жылуы. 

 

 

 

 

 

 

1 Фазалық ауысу

Фаза деп заттың басқа тепе-тең күйлерінен физикалық қасиеттері жағынан ерекшеленетін  термодинамикалық тепе-теңдік күйін айтады. Фаза ұғымын көбінесе заттың агрегат күйі ұғымы ретінде қолданылады. Бірақ оның мағынасы кеңірек. Бір агрегат күй аралығында зат бірнеше фазада бола алады. Заттың фазалық ауысуы- бір фазадан келесі фазаға- заттың қасиетінің сапалық өзгеруімен байланысты болады.      Фазалық ауысу — кең мағынасында сыртқы жағдайлар (температура, қысым, магниттік және электрлік өріс, т.б.) өзгергенде заттың бір фазадан екінші фазаға ауысуы; тар мағынасында сыртқы параметрлер үздіксіз өзгергенде физикалық қасиеттердің секірмелі өзгеруі. Температураның, қысымның немесе қандай да бір басқа физикалық шаманың фазалық ауысу өтетін мәні ауысу нүктесі деп аталады. Фазалық ауысудың екі тегін ажыратады:            - бірінші текті фазалық ауысуда заттың тығыздығы, құраушыларының концентрациясы сияқты термодинамикалық сипаттамалары секірмелі түрде өзгереді; масса бірлігінде фазалық ауысу жылуы деп аталатын жылудың толық анықталған мөлшері бөлінеді немесе жұтылады.    Бірінші текті фазалық ауысу табиғатта кең таралған құбылыс. Оған булану мен конденсаттану, балқу мен қатаю, қатты фазаға сублимациялану мен конденсаттану, қатты денелердегі кейбір құрылымдық ауысулар, мысалы, темір-көміртек қорытпасында мартенситтің түзілуі жатады. Таза асқын өткізгіштерде жеткілікті күшті магнитөрісі асқын өткізгіштік күйден қалыпты күйге бірінші текті фазалық ауысу туғызады. Мысалы,  1г мұзды суға айналдыру үшін қалыпты атмосфералық қысымда Q=80 кал. жылу беру керек, ал 1г суды 1 атм. қысымда 1000 С температурада буға айналдыру үшін Q=540 кал. жылу беру керек. Кері процестерде будың суға айналуы үшін, судың мұзға айналуы үшін осы алған жылулар бөліну керек.             - екінші текті фазалық ауысу кезінде қандай да бір нөлге тең физикалық шама ауысу нүктесінің бір жағынан екінші жағына қарай ығысу нүктесінен алыстағанда нөлден бастап біртіндеп өседі. Мұнда тығыздық үздіксіз өзгереді, жылу бөлінбейді және жұтылмайды.    Екінші текті фазалық ауысуға: макроскопиялық магниттік моменттің пайда болуымен бірге жүретін пара-ферромагнетик ауысу, пара-антиферромагнетик ауысу, т.б. жатады. Фазалық ауысу температураның, т.б. шамалардың қатаң анықталған мәндеріндегі бөлшектер санына шек қойылмайтын жүйеде ғана өтетін құбылыс.

2 Бірінші текті ауысуға жататын процестер                               2.1 Булану және қайнау

Кез келген зат белгілі жағдайда әр түрлі агрегаттық күйде – қатты, сұйық және газ түрінде болады. Бір күйден екінші күйге өту фазалық өту деп аталады. Булану және конденсация фазалық өтудің мысалы болып табылады. Барлық нақты газдар белгілі жағдайда сұйыққа айналады. Алайда газдың сұйыққа айналуы күдікті температура деп аталатын Tкүд төмен температурада ғана болады.           Булану деп сұйық күйден газ түріне фазалық өтуін айтады. МКТ тұрғысынан булану – кинетикалық энергиясы қалған молекулалардан жоғары болатын сұйықтың бетіндегі молекулалардың ұшып шығу процесі. Бұл қалған молекулалардың орташа кинетикалық энергиялаларының азаюына, яғни сұйықтың сууына әкеледі. 

2.1 сурет - Заттың типтік фазалық диаграммасы.

К – күдікті нүкте, Т – үш еселі нүкте. І облысы – қатты дене, ІІ облысы – сұйық, ІІІ облысы – газ тәрізді зат.

(p, T) координаталық жүйесінде кескінделген тепе-теңдік қисықтары фазалық диаграмма деп аталады. Қатты дене мен газ тәрізді газдың фазадарының тепе-теңдігіне сәйкес келетін ОТ қисығы сублимация қисығы деп аталады. Сұйық пен будың арасындағы тепе-теңдік ТК қисығы булану қисығы деп аталады, ол К күдікті нүктесінде үзіледі. Қатты дене мен сұйықтың арасындағы тепе-теңдік ТМ қисығы балқу қисығы деп аталады. Үш фаза да тепе-теңдікте бола алатын қисықтар түйісетін Т нүктесі үш еселі нүкте деп аталады.      Кризистік күй – екі фазалы жүйенің физикалық қасиеттері бірдей болып, олардың арасындағы фазалар айырмашылығы түгелдей жойылатын тепе-теңдіктің шекті күйі. Күй диаграммасында фазалардың тепе-теңдік қисығында шекті нүктелер – кризистік нүктелер сәйкес келеді. Гиббстіңфазалық ережесі бойынша, кризистік нүкте таза заттың екі фазасының тепе-теңдігі кезінде оқшауланған, ал екі құраушысы бар ерітінділерде ол нүктелер кризистік қисық құрайды. Жүйенің сәйкес параметрлері – кризистік қысым (рк), кризистік көлем (Vк), кризистік концентрация (хк), т.б. деп аталады. Сондай-ақ, фазалық ауысу жылуы мен фазааралық беттік керілуі азаяды және кризистік нүктеде нөлге айналады.           Көлем тұрақты болған жағдайда қаныққан будың қысымы температураға өте қатты тәуелдi болады, сондықтан Шарль заңын қаныққан буға қолдануға болмайды. Температура жоғарлаған сайын, будың конденсациялануына қарағанда, сұйық тезiрек буланады. Қысымның күрт өсуiне негiзiнен будың тығыздығының ұлғаюы тiкелей әсерiн тигiзедi.      Қайнау – бұл тек қана ашық беттегi сұйықтың интенсивтi булануы емес, сонымен қатар бу көпiршiктерiн түзетiн қуыс көлемiндегi сұйықтың да интенсивтi булануы.          Егер сұйық бiрқалыпты қыздырылмаған болса, онда су көпiршiктерi қалқып шыққан кезде олардың iшiндегi қысым бу конденсациясының есебiнен азаяды да, көпiршiктер жарылып кетедi. Ал сұйық жеткiлiктi қыздырылған болса, онда көпiршiктер жарылуын тоқтатады да, сұйық бетiне еркiн қалқып шығады. Сұйық қайнайды (2.2 сурет). 

                 

2.2 сурет - Судың қайнауы

Көпiршiк iшiндегi қысым үш қосылғыш арқылы анықталады:        p = p0 + ρgh + 2σ/r ,            (2.1) мұндағы:              p0 - сыртқы қысым;         ρgh - биiктiгi h болатын сұйықтың жоғарғы қабаттарының гидростатикалық қысымы;         2σ/r – радиусы r болатын көпiршiк бетiнiң майысуына(қисаюына) байланысты өзгеретiн қысым;         ρ және σ - сұйықтың тығыздығы және беттiк керiлу коэффициентi.  Мына төмендегi шарт орындалған кезде сұйық қайнай бастайды.

pk≥p0+ρgh+2σ/r         (2.2)

мұндағы:             pk - қаныққан будың қысымы.       Әдетте 2σ/r<<p0 және ρgh<<p0. Бұдан, былай болатындығы шығады:

pk≥p0 .          (2.3)

Сонымен, барлық сұйықтың температурасы бiрдей, ал қаныққан будың қысымы әдетте оның бетiне түсiрiлген сыртқы қысымға тең немесе сол қысымнан сәл артық болған жағдайда сұйық қайнай бастайды.    Сұйықтың қаныққан буының қысымы сыртқы қысымға тең болғандағы сұйықтың температурасы қайнау температурасы деп аталады. Атмосфералық қысымның қалыпты жағдайындағы сұйықтың қайнау температурасы қайнау нүктесi деп аталады.          Су бетiне түсiрiлген сыртқы қысымның өсуiмен бiрге қайнау температурасы жоғарлайды, қысымның азаюына байланысты температурасы төмендейдi. Барлық басқа шарттары бiрдей болған жағдайда да, әр түрлi сұйықтардың қайнау температуралары әртүрлi болып келедi (2.2 - сурет).             Қайнау процесінде үлкен кинетикалық энергиясы бар сұйық молекулалары сұйықтың бетіне шығып, молекулааралық тартылысты жеңіп, сұйық бетінен шығып кетуі керек.

         (2.4)

Яғни, энергиясы молекулалардың тартылыс күшіне қарсы істелетін жұмыстан көп болуы керек ( Ek>A.). Бұл жұмыс мына теңдік арқылы анықталады.                  A=2r.F         (2.5)

мұндағы:             r – молекулалардың әсерлесу сферасының радиусы;     Ғ - әсерлесу күші.       Молекулалардың тартылыс күші өте үлкен шама. Судың молекулалық ішкі қысымы 11 мың атм. Ендеше молекуланың сұйық бетіне шығуы үшін өте үлкен энергия керек. Энергиясы жоғары молекулалар, яғни «ыстық» молекулалар ғана сұйық бетіне шыға алады. Осының нәтижесінде қалған молекулалардың энергиясы азаяды. Кебу кезінде дене суыйды. Булануға кері процесс қоса жүреді. Яғни ауадағы су буы қайтадан сұйыққа айналады. Екі процесс үздіксіз жүреді. Егер булану конденсацияға қарағанда интенсивті болатын болса, сұйық буланады, ал керісінше конденсациялану булануға қарағанда интенсивті жүрсе онда сұйық көбейеді.      Екі процесс өзара тең болса тепе-теңдік процесс делінеді, яғни қанша молекула буланса, сонша молекула конденсацияланады. Бұл уақыттығы буды қаныққан бу дейді.          Егер адиабаталық кебу болса, температура төмендейді. Изотермалық кебуде (тұрақты температурада) берілген жылу тұрақты болады. Сұйықты қайнауға дейін қыздырғанда жылудың біразы ғана булануға жұмсалады, ал көп бөлігі тек қыздыруға кетеді. Қайнау басталу үшін сұйықтың ішінде ауа көпіршіктері болуы керек, яғни қос фазалы болу керек.    Ауа көпіршіктері сұйықтың ішінде ыдыс қабырғасындағы не түбіндегі денелерге жабысып тұрады. Осы көпіршіктер булану орталығы болып табылады. Сұйық осы көпіршіктің ішінде буланады, көпіршік үлкейіп өз орнына кішкене көпіршік қалдырады да сұйық бетіне көтеріліп жарылады. Кішкене көпіршік тағы ұлғайып, тағы көтеріледі. Осылай қайталану болады. Көпіршіктер тізбек жасап көтеріліп отырады.     Қайнау кезінде сұйыққа берілген жылу түгелдей булануға жұмсалады, ендеше температура тұрақты болады. Мұның себебі - температураның көтерілуі мұң екен, сол сәтте-ақ қайнау тездей бастайды. Яғни келген жылу кебуге кеткен жылумен тең болады. Көпіршік ауадан тұруы керек, ал көпіршік тек сұйық буынан тұрса қысым көбейгенде (тепе-теңдік қалыптан жоғары болғанда) бу суға айналып көпіршік көлемі кішірейеді. Көпіршік үшін тепе-теңдік қалып мынадай:

         (2.6)

мұндағы:            Р – көпіршік ішіндегі қаныққан бу қысымы;      – көпіршік ішіндегі ауа қысымы;       р – атмосфералық қысым;         – гидростатикалық қысым;        – қисық беттегі Лаплас қысымы.

Ұзақ қайнаудан кейін аса қызған сұйық алуға болады. Бұл жағдай сұйықтың ішіндегі еріген ауа түгелдей буланып болған соң бу тек сұйықтың өз буы болған кезде ғана орындалады. Қайнау температурасы жоғарылайды.  Булану жылуы екі бөліктен тұрады. Біріншісі молекуланың беттік қабаттан бөлінуі үшін қажет, ал екінші бөлігі ұлғаю кезіндегі жұмысқа тең. Кебу кезінде будың көлемі алғашқы сұйық күйінен үлкен болады. (Су үшін 1650 есе).            Кебу жылуы беттік қабаттың тартуын жеңу үшін жұмсалатын және ұлғаю үшін кететін жылулардың қосындысына тең болады.

                                                          (2.7) Ұлғаю үшін қажетті жылу . Беттің тартылысын жеңу үшін жұмсалатын жылу:

 

2.2 Конденсация. Қаныққан бу және оның касиеттері.                 Будың конденсациялану процесі тек қос фаза болғанда орындалады. Конденсация болу үшін конденсация орталығы болу керек. Будың молекулалары осындай орталыққа жанасып, үлкен тамшы құрайды да сұйық бетіне түседі. Ауаны ерекше тазартып аса қаныққан бу алуға болады. Бұл уақытта қысым тепе-теңдік қысымнан жоғары болады. Аса қаныққан  буды адиабаттық ұлғайтса температура төмендейді де конденсация болады. Конденсация кезінде булану жылуы қайта бөлінеді.   Конденсация – булануға кері процесс. Конденсация кезінде бу молекулалары сұйыққа қайта оралады. Жабық ыдыста сұйық және оның буы ұшып шыққан молекула санының будан сұйыққа оралған молекулалар санына тең болатын динамикалық тепе-теңдік қалпында бола алады, яғни булану және конденсация жылдамдықтары бірдей болады. Мұндай жүйені екі фазалы деп атайды. Өзінің сұйығымен тепе-теңдікте болатын буды қаныққан бу деп атайды. Будан сұйықтыққа оралған молекулалар саны бу температурасымен анықталатын жылулық қозғалысының орташа жылдамдығы мен бу молекулаларының концентрациясынан тәуелді.  

 

2.3 сурет - Нақты газдың изотермалары.        1 облысы – сұйық,II облыс – екі фазалы «сұйық + қаныққан бу» жүйесі, ІІІ – газ тәріздес зат, К – күдікті нүкте       Газдың (будың) қысымы оның концентрациясы мен температурасымен анықталатындықтан, берілген заттың қаныққан буының p0 қысымы оның температурасына ғана тәуелді, ал көлемінен тәуелсіз болады. Сондықтан (p, V) жазықтығындағы нақты газдың изотермалары, екі фазалы жүйеге сәйкес келетін горизонталь бөліктері болады (2.3 сурет). Қаныққан будың температурасы жоғарылаған кезде, оның қысымы және тығыздығы үлкейеді, ал сұйықтың тығыздығы жылулық ұлғаю салдарынан азаяды. Берілген дене үшін күдікті температурасына тең Tкүд температурада будың және сұйықтың тығыздықтары теңеседі. T > Tкүд болғанда сұйық пен оның қаныққан будың арасындағы физикалық өзгешеліктері жойылады. Егер қанықпаған буды T < Tкүд кезінде изотермалық сықсақ, онда оның қысымы қаныққан будың қысымына жеткенше өседі. Бүкіл бу сұйыққа айналған кезде, сұйықтың аз сығылуының салдарынан көлемінің кейінгі азаюынан қысымның күрт үлкеюіне әкеледі. Ол үшін күдікті К нүктесінен айналып өту процесін орындау қажет. Бұл процестердің бірі 2.3 суретінде АВС сынық сызығымен көрсетілген. Атмосфералық ауада p0 қаныққан будың қысымынан кіші болатын парциалды p қысымы кезіндегі әрқашан су буы болады. Процентпен есептелінетін p / p0 қатынасы салыстырмалы ауа ылғалдығы деп аталады.