Фазен премин

Фазен премин — преод на термодинамички систем од една фаза(состојба) на материјата во друга преку топлински пренос. Овој поим најчесто се користи за опис на преминот помеѓу цврста, течна и гасна состојба на материјата и во ретки случаи плазма. Фазите на термодинамичките системи и агрегатните состојби имаат исти физички својства. За време на фазениот премин при смената на одредени надворешни влијанија, како што се температурата, притисокот или други. На пример, течност може да стане гас при греење до точката на вриење, што доведува до ненадјна смена во волуменот. Мерењето на надворешните услови во кои се случува преодот се нарекува фазен премин. Фазните премини се чести во природата и денес се користат во многу технологии.

Фазен дијаграм цврста, течна и гасна состојба на една супстанција. Полната зелена линија го претставува нормалниот преод од течна во цврста состојба, додека пак испрекинатата зелена линија го означува неправилното поведение на водата.

Видови на фазен премин

Примери за фазен премин се:

Транзиција помеѓу цврста, течна и гасовита фаза на една компонента поради ефектите на температурата и/или притисок:

		Цврста	Течна	Гасна	Плазма
		Во
Од	Цврста	премин цврста-цврста	Топење	Сублимација	—
	Течна	Мрзнење	—	Вриење / испарување	—
	Гасна	Наталожување	Кондензација	—	Јонизација
	Плазма	—	—	Плазмена рекомбинација / дејонизација	—

(Погледајте парен притисок и фазен дијаграм)
Еутетична трансформација е во која дво компонента едно фазна течност е изладена и се формира во две цврсти фази. Истиот процес само почнувајќи од цврста наместо трчна се вика еутектоидна трансформација.
Перитетична трансформација во која цврста дво компонента во една фаза се топли и се трансформира во една цврста и во една течна фаза.
Спинодална декомпозиција во која една фаза се лади и се дели во две различни композиции од истата фаза.
Транзиција во мезофаза помеѓу цврста и течна како „течни кристали“ фази.
Транзиции помеѓу феромагнетичка и парамагнетичка фаза на магнетички материјали во точката Кири.
Транзицијата помеѓу различно распоредени коменсуратни и инкоменсурантни магнетички структури како цериум антимонид.
Мартенситцката трансформација која се појавува како една од многуте трансформации во јаглероден челик и претставува како модел за дисплацивни фазни трансформации.
Смените во кристалографичката структуракако помеѓу ферит и аустенит од железо.
Ред-нарушување транзиција како во алфа-титански алуминиди.
Зависноста на адсорпционата геометрија на покриеност и температура како за водород на железо.
Појавата на суперкондуктивноста во одредени метали и керамики кога се оладени под критична температура.
транзиција помеѓу различни молекуларни структури (полиморфи, алотропи или полиаморфи),посебно цврсти, како помеѓу на анорфна структура и на кристална структура, помеќу две аморфни структури.
Квантна кондензација од бозонови течности. Суперфлуидната транзиција во течен хелиум е пример за ова.
Кршењето на симетриите во законите на физиката за време на раната историја на универзумот е температурно ладена.
Изотопско фракционирање се појавува за време на фазна транзиција, соодносот на лесни и тешки изотопи кои се вклучени во молекуларните промени. Кога воден чад кондензира, потечките бодни изотопи станѕваат збогатени во течната фаза додека полесните изотопи имаат тенденција повеќе кон испарувачката фаза.

Фазни транзиции се појавуваат кога термодинамичката слободна енергија на систем е неаналитичка за некои термодинамички вариабили. Оваа состојба обично произлегува од заемодејствата од голем број честички во системот и не се појавуваат во системи кои се мали. Важно е да се напомене дека фазните транзиции може да се појават и се дефинирани за нетермодинамички системи каде температурата не е параметар. Примери вклучуваат: квантна фазна транзиција, динамична фазна транзиција и топологична фазна транзиција. Во овие типови системи други параметри ја заземаат положбата на температурата. На пример веројатност врска ја заменува температурата за филтрирање на врски. Во еден момент на фазна транзиција (на пример, точка на вриење) двете фази имаат идентични слободни енергии и затоа и двете можат подеднакво да постојат. Под точката на вриење течност е постабилна форма, каде пак над таа точка гасовитата состојба е претпочитана. Некогаш е можна смена на состојбата на системот дијабатички на таков начин да се пројде фаза на транзиција. Резултатот е метастабилен, односно по нестабилен од фазата која требала да се случи. Ова се случува во супертоплење, суперладење и презаситување.

Класификации

Еренфестови класификации

Паул Еренфест ја класифицира фазната транзиција според однесувањето на термодинамичката слободна енергија како функција на други термодинамички варијабили. Според оваа шема фазните транзиции биле именувани како најслабите изводи на слободна енергија која е дисконтуирана во транзицијата. Фазен премин од прв ред искажува дисконтинуитет во првите изводи на слободната енергија во однос на некои термодинамички варијабили. Различните цврсти/течни/гасни транзиции се класифицирани како транзиции од прв ред зошто вклучуваат дисконтинуирана промена во густината, која е инверзна од првиот извод на слободна енергија во однос на притисокот. Фазни транзиции од втор ред се континуирани во првиот извод, но искажуваат дисконтинуитет во вториот извод од слободната енергија. Ова ја вклучува и феромагнетичката фазна транзиција во материјали како железо, каде магнетизацијата на првиот извод на слободна енергија во ондос на применетата сила на магнетното поле, постепено ја зголемува од нула додека температурата е смалувана под Кари точката. Магнетичката подложност, вториот извод на слободна енергија се менува повремено. Според Еренфестовата класификациона шема може да има фазни транзиции од трет, четврт и од поголем ред. Иако корисен, Еренфестовата класификација претставува нецелосен метод на класификација на фазни транзиции, бидејќи не го зема предвид кога изводот на слободна енергија се дели. На пример во феромагнетичката транзиција, топлински капацитет се одвојува до бесконечност.

Модерни класификации

Во модерните класификациони шеми, фазните транзиции се поделени во две широки категории, слични на Еренфестовите класи: фазни транзиции од прв ред се тие кои вклучуваат латентна топлина. За време на таква транзиција, температурата на системот останува константна додека топлината се зголемува; системот е во различно фазен режим во кој некои делови на системот ја имаат завршено транзицијата, а некои ја немаат. слични примери се топењето на лед и вриењето на вода. Имри и Вортис докажале угаснато нарушување може да ја прошири транзиција од прв ред ако трансформацијата се заврши во константна температура, но феномените како суперладење и супертоплење преживуваат и хистерезис се набљудува во топлонски циклуси. Фазни транзиции од втор ред исто така се викаат континуирани фазнитранзиции. Тие се одликуваат со различна осетливост, бесконечна должинска корелација, и закон-моќ распаѓање на корелации во близина на критичност. Примери на транзиции од втор ред се феромагнетна транзиција, суперкондуктивна транзиција и супертечна транзиција. За разлика од вискозноста, топлинското ширење и топлинскиот капацитет на аморфните материјали покажуваат релативно ненадејна промена во температура на премин низ стакло , кој овозможува прецизно мерење користејќи калориметриско диференцијално скенирање.Лав Ландау даде феноменолошка теорија за транзиции од втор ред фаза. Освен изолирани едноставни фазни транзиции, постои и транзициони линии, како и мултикритични точки, кога различни параметри, како надворешен магнетно поле или композиција. Неколку транзиции се познати како фазни транзиции од бесконечен ред. Тие се константни, но не кршат никаква симетрија. Најпознат пример е транзицијата Костерлитц-Тулес во дво-димензионалниот модел XY. Многу квантната фазна транзиција, на пример во две-димензионални електронски гасови, припаѓаат на оваа класа. Транзиција на течно стакло е забележано во многу полимери и други течности кои можат да бидат суперладени далеку под точката на топење од кристалната фаза. Ова е атипична во неколку аспекти. Тоа не е процес на транзиција помеѓу термодинамичка основна состојба: најшироко се верува дека вистинската основна состојба е секогаш кристална.Стакло е угаснато нарушување состојба, а нејзината ентропија, густина и така натаму, зависи од топлинска историја. Затоа транзицијата на стакло е првенствено динамичен феномен: за ладење со течност, внатрешни степени слобода сукцесивно да падне надвор од рамнотежа. Некои теоретски методи предвидуваат основната фаза на транзиција во хипотетички граници на бескрајно долги времиња на релаксација. Нема директни експериментални докази кои го поддржуваат постоењето на овие транзиции.

Карактеристични особини

Фазна корелација

Пореметување-проширено премин од прв ред се јавува во текот на конечни температури, каде што дел од ниските температури расте од нула до еден (100%) како што температурата се намалува. Оваа континуирана варијација на фракциона корелација со температура покрена интересни можности. За ладење, некои течности се претвораат во чаша, а не се трансформираат во кристална фаза. Ова се случува ако постапката на ладење е побрза од стапката на критично ладење , и се припишува на молекуларните движења и стануваат толку бавни што молекулите не може да се преуредат во кристални позиции.Ова забавување се случува под температурата на стакленото-формирање , кое може да зависи од применитиот притисок. Ако транзиција од прв ред на замрзнување се случува во текот на еден опсег на температури и Tg паѓа во рамките на овој опсег, тогаш има интересна можност дека транзицијата е оставена кога тоа е делумна и нецелосна. Проширувањето на овие идеи за првиот ред магнетни транзиции се при ниски температури, резултирало со набљудување на нецелосни магнетни транзиции, со две магнетни фази кои коегзистираат, до најниската температура. Прв објавен случај на феромагнетни до анти-феромагнетни транзиции, како постојана фаза корелација се пријавени во различни магнетни транзиции од прв ред.Тие вклучуваат колосална-магнетоотпорност магнанитни материјали магнетноколарични материјали, магнетни материјали во облик на меморија и други материјали. Интересна одлика на набљудувањата на Tg е што паѓа температурниот опсег кој се јавува во транзицијата од прв реде под влијание на магнетната транзиција во магнетното поле, исто како и структурната транзиција е под влијание на притисокот. Релативната леснотија со која магнетното поле може да се контролира, за разлика од притисок, ја зголемува можноста дека некој може да ја научи интеракцијата меѓу Tg и ТЦ во сеопфатен начин.Фазна корелација во првиот ред магнетни транзиции овозмоува решавање на отворените прашања во разбирањето на стаклата.

Критични точки

Секој систем кој содржи течни и гасовити фази, постои посебна комбинација на притисок и температура, позната како критична точка, на која на преминот меѓу течност и гас станува транзиција од втор ред. Во близина на критичната точка, течноста е доволно топла и компресирана дека разликата помеѓу течни и гасовити фаза е речиси непостоечка. Ова е поврзано со појавата на критична опалесценција, млечен изглед на течноста поради флуктуации во густината на сите можни бранови должини (вклучувајќи ги и оние на видливата светлина).

Симетрија

Во фазни транзиции често вклучува процесот кршење на симетрија. На пример, за ладење на течност во цврст кристал ја крши константната транслациона симетрија: секоја точка во течноста ги има истите својства, но секоја точка во кристалот не ги има истите својства. Типично, фазата на висока температура содржи повеќе симетрија од фазата на ниска температура поради спонтано нарушување на симетријата, со исклучок на некои случајни симетрии (на пример, формирање на тешки виртуелни честички, кој се јавува само на ниски температури).

Гранични параметри

Граничен параметар е мерка за степенот на редот на границите во систем на преодна фаза; таа нормално се движи од нула во една фаза (обично над критичната точка) и под нула во другата. Во критичниот момент, подложноста на граничните параметари обично се разминуваат. Еден пример на граничен параметар е нето магнетизација во феромагнетен систем во процес на фазна транзиција. За течни / гас транзиции, граничниот параметар е разликата на густина. Од теоретска перспектива, граничните параметри произлегуваат од нарушување на симетријата. Кога ова се случува, треба да се воведе еден или повеќе дополнителни променливи да се опише состојбата на системот. На пример, во феромагнетна фаза, мора да се обезбеди мрежен магнетизам, чија насока беше спонтано избрана кога системот се лади под точката на Кири. Сепак, се зема предвид дека параметрите исто може да се дефинираат како несиметрично кршење на транзиции. Некои фазни транзиции, како што се суперкондуктивни и феромагнетни, може да имаат гранични параметри за повеќе од еден степен на слобода. Во такви фази, граничниот параметар за да може да биде во форма на комплексен број, вектор, или дури и тензор, големината на која оди до нула во фазна транзиција. Исто така, постојат двојни описи за фазни транзиции во однос на нарушувани параметри. Тие укажуваат на присуство на линија како ексцитации како вортекс или дефектни линии.

Релевантност во космологија

Симетрично кршење фазни транзиции играат важна улога во космологијата. Се шпекулира од страна на Ли Смолин, Бенијамин и Џереми Бернштајн дека, во раниот универзум, вакуум (односно на различни квантната полиња,со кои се пополни простор) поседуваат голем број на симетрии. Кога универзумот се прошири и олади, вакуумот беше подложен на серија на симетрични кршења на фазни транзиции. На пример, електрослабата транзиција крши SU (2) × U (1) симетрија на полето на електрослабите во U (1) симетрија на електромагнетно поле. Оваа транзиција е важна за разбирањето на асиметријата помеѓу количината на материјата и антиматеријата во денешна вселената.

Критични експоненти и универзални класи

Континуирани фазни транзиции се полесни да се учат од транзиции од прв ред поради отсуство на латентна топлина, и тие се откриени дека имаат многу интересни својства. Феномените поврзани со континуирани фазни транзиции се нарекуваат критични појави, поради нивната поврзаност со критичните точки. Излегува дека континуираната фазна транзиција може да се одликува со параметри познати како критични експоненти. Најважниот е можеби експонентот за опишување на дивергенција на должината на топлинска корелација со приближување на транзицијата. На пример, да ги испита однесувањето на топлинскиот капацитет во близина на таква транзиција. Тие се разликуваат температурата T, на системот, додека одржување на сите други термодинамички променливи се фиксни, и да се најде дека промената се случува во некоја критична температура Tc. Кога T е во близина на Тc, капацитет C топлина обично има однесувањето на законот,

C\propto |T_{c}-T|^{-\alpha }.

Таквото однесување има капацитетна топлината на аморфните материјали во близина на температурата на стаклена транзиција каде универзална критичен експонент α = 0,59 А има слично однесување, но со експонент ν наместо α, се однесува за должината на корелацијата. Експонентот ν е позитивен. Ова е различно со α. Нејзината вистинска вредност зависи од видот на фазна транзиција за која се размислува. Широко се верува дека критичните експоненти се исти над и под критичната температура. Тоа сега се покажа дека тоа не е секогаш точно: Кога континуирана симетрија е експлицитно расчленета на дискретна симетрија со нерелевантни (во смисла на реномармализиона група) анисотропи, потоа некои експонати (како гамаекспонантон и експонент на осетливост) не се идентични. За -1 <α <0, топлинскиот капацитет има "своеобразност" во транзиционата температура. Ова е однесувањето на течен хелиум во транзиција ламбда од нормална состојба суперфлуидна, за која експерименти откриле дека α = -0,013 ± 0,003. Најмалку еден експеримент беше изведен во услови на нулта гравитација да кружат околу сателит за да се минимизираар разликите во притисокот во примерот. Оваа експериментална вредност на α се согласува со теоретските предвидувања врз основа на вариациона теорија. 0 <α <1, топлински капацитет се разликува во транзиционата температура (иако, бидејќи α <1, енталпија останува ограничен). Еден пример на таквото однесување е 3D транзиција на феромагнетна фаза. Во три-димензионален Исинг модел за едноосно напрегање на магнети, детални теоретски студии дадоа α експонент ~ 0,110. Некои системски модели не ги почитуваат однесување на законите. На пример, областа теорија предвидува конечен прекин на топлински капацитет во температурна транзиција , и две-димензионалниот модел Исинг има логаритамска дивергенција. Сепак, овие системи се ограничувани случаи и исклучок од правилото. Вистински фазни транзиции покажуваат однесување законитост. Неколку други критични експоненти, β, γ, δ, ν и η, се дефинирани, испитување на однесувањето на законот на мерливо физичко количество во близина на фазна транзиција. Експонентите се поврзани со скалирани односи, како што се

\beta =\gamma /(\delta -1),\qquad \nu =\gamma /(2-\eta )

.

Може да се покаже дека постојат само две независни експоненцијали ν и η. Извонреден е фактот дека фазни транзиции кои се појавуваат во различни системи често поседуваат истиот сет на критичните експоненти. Овој феномен е познат како универзалност. На пример, на критичните експоненти на критичната точка на течни гасови се најде да биде независна од хемискиот состав на течност. Повеќе импресивно, тие точно одговараат за критичните експоненти на феромагнетни транзициони фази во напрегање магнети. Ваквите системи се вели дека се во иста класа универзалност. Универзалност е предвидување на теоријата на ренормализациона група на фазни транзиции, во кој се наведува дека термодинамичките својства на системот во близина на фазна транзиција зависи само од еден мал број на функции, како што се димензија и симетрија и се бесчувствителни на основните микроскопски својства на системот. Повторно, отстапувањето од должината на корелација е од суштинско значење.

Критично успорување и други феномени

Исто така постојат и други критични појави; на пример, покрај статичните функции тука исто така е и критична динамика. Како последица на тоа, во транзициона фаза може да се забележи од клучно значење забавување или забрзување. Голема класи статичка универзалност на континуирана транзициона фаза поделена во помали динамични класи универзалност. Во прилог на критичните експоненти, исто така, постојат универзални односи за одредени статички или динамички функции на магнетни полиња и температурни разлики од критичната вредност.

Филтрациона теорија

Друг феномен што покажува фазна транзиција и критични експоненти е филтрирање. Наједноставен пример е можеби филтрирање во дводимензионални квадратни решетки. Мрежни места по случаен избор се окупирани со веројатност p. За мали вредности на p окупираните сајтови формираат само мали групи. Во одреден праг компјутер е формирана гигант кластер и ние имаме фазна транзиција од втор ред. Однесувањето на P∞ во близина на компјутер е, P∞ ~ (р-компјутер) β, каде β е критичен експонент.

Фазна транзиција во биолошки системи

Фазна транзиција игра многу важна улога во биолошките системи. Примерите вклучуваат формирање на липидниот двослој, транзиција coil-globule во процесот на белковинско преклопување и ДНК на топење, течни кристали како транзиции во процесот на ДНК кондензација, и кооперативни лиганд врзување на ДНК и белковини со ликот на фазна транзиција. Во биолошки мембрани, гел во течнен кристал транзиции играат многу важна улога во физиолошкото работење на биомембраните. Во фазата гел, поради ниската флуидноста на мембраната липидните масни ацил синџири, мембрански белковини имаат ограничено движење и на тој начин се ограничени во остварувањето на нивната физиолошка улога. Растенијата зависат критично на фотосинтеза од Хлоропласт тилакоидни мембрани кои се изложени на ниски температури во животната средина. тилакоидни мембрани задржуваат вродена флуидност дури и при релативно ниски температури, бидејќи на висок степен на нарушување масни ацили е дозволено со висока содржина на линоленска киселина, 18-јаглероден ланец со 3 двојни врски. Гел во течност кристална транзиција на биолошки мембрани може да се утврди од страна на многу техники, вклучувајќи ја калориметријата, флуоресценцијата, спин етикетирани електрони парамагнетична резонанца и NMR со снимање на мерењата на односниот параметар на серија на примероци температури. Едноставен метод за детерминантноста на 13-C NMR линија интензитет, исто така, беа предложени. Релевантноста на фазните транзиции во невронски мрежи што биле истакнати, поради сложените појави во природата на нервните заемодејства. Една точка на гледање може да се најде во многу свежа хартија од Tkačik et al.

Поврзано

Наводи

Надворешни врски

Interactive Phase Transitions on lattices with Java applets
Universality classes from Sklogwiki