Фазовые переходы первого и второго рода реферат

Обновлено: 05.07.2024

Мы рассмотрели переходы из жидкого и газообразного состояния в твердое, т. е. кристаллизацию, и обратные переходы — плавление и возгонку. Ранее в гл. VII мы познакомились с переходом жидкости в пар — испарением и обратным переходом — конденсацией. При всех этих фазовых переходах (превращениях) тело либо выделяет, либо поглощает энергию в виде скрытой теплоты соответствующего перехода (теплота плавления, теплота испарения и т. д.).

Фазовые переходы, сопровождающиеся скачкообразным изменением энергии или других величин, связанных с энергией, например плотности, называются фазовыми переходами первого рода.

Для фазовых переходов первого рода характерно скачкообразное, т. е. происходящее в очень узком температурном интервале, изменение свойств веществ. Можно, следовательно, говорить об определенной температуре перехода или точке перехода: точка кипения, точка плавления и

Температуры фазовых переходов зависят от внешнего параметра — давления при данной температуре равновесие фаз, между которыми происходит переход, устанавливается при вполне определенном давлении. Линия фазового равновесия описывается известным нам уравнением Клапейрона — Клаузиуса:

где молярная теплота перехода, и молярные объемы обеих фаз.

При фазовых переходах первого рода новая фаза не возникает сразу во всем объеме. Сначала образуются зародыши новой фазы, которые затем растут, распространяясь на весь объем.

С процессом образования зародышей мы встречались при рассмотрении процесса конденсации жидкости. Для конденсации необходимо существование центров (зародышей) конденсаций в виде пылинок, ионов и т. п. Точно так же для отвердевания жидкости необходимы центры кристаллизации. В отсутствие таких центров пар или жидкость могут находиться в переохлажденном состоянии. Можно, например, длительное время наблюдать чистую воду при температуре

Встречаются, однако, фазовые переходы, при которых превращение происходит сразу во всем объеме в результате непрерывного изменения кристаллической решетки, т. е. взаимного расположения частиц в решетке. Это может привести к тому, что при определенной температуре изменится симметрия решетки, например, решетка с низкой симметрией перейдет в решетку с более высокой симметрией. Эта температура и будет точкой фазового перехода, который в этом случае называется фазовым переходом второго рода. Температура, при которой происходит фазовый переход второго рода, называется точкой Кюри, по имени Пьера Кюри, который обнаружил фазовый переход второго рода в ферромагнетиках.

При таком непрерывном изменении состояния в точке перехода не будет равновесия двух разных фаз, поскольку переход произошел сразу во всем объеме. Поэтому в точке перехода нет и скачка внутренней энергии II. Следовательно, такой переход не сопровождается выделением или поглощением скрытой теплоты перехода. Но так как при температурах выше и ниже точки перехода вещество находится в различных кристаллических модификациях, то у них различна теплоемкость. Это значит, что в точке фазового перехода скачком меняется теплоемкость, т. е. производная от внутренней энергии по температуре

Скачком изменяется и коэффициент объемного расширения хотя сам объем в точке перехода не изменяется.

Известны фазовые переходы второго рода, при которых непрерывное изменение состояния не означает изменения кристаллической структуры, но при которых состояние также изменяется сразу во всем объеме. Наиболее известные переходы этого типа — это переход вещества из ферромагнитного состояния в неферромагнитное, который происходит при температуре, называемой точкой Кюри; переход некоторых металлов из нормального в сверхпроводящее состояние, при котором исчезает электрическое сопротивление. В обоих случаях в точке перехода не происходят изменения структуры кристалла, но в обоих случаях состояние изменяется непрерывно и сразу во всем объеме. Переходом второго рода является и переход жидкого гелия из состояния Не I в состояние Не II. Во всех этих случаях в точке перехода наблюдается скачок теплоемкости. (В связи с этим температура фазового перехода второго рода имеет второе наименование: она называется -точкой, по характеру кривой изменения теплоемкости в этой точке; об этом уже говорилось в § 118, в тексте о жидком гелии.)

Разберем теперь немного подробнее, как происходят фазовые переходы. Основную роль в фазовых превращениях играют флуктуации физических величин. Мы уже встречались с ними при обсуждении вопроса о причине броуновского движения твердых частиц, взвешенных в жидкости (§ .7).

Флуктуации — случайные изменения энергии, плотности и других связанных с ними величин — существуют всегда. Но вдали от точки фазового перехода они возникают в очень малых объемах и тут же снова рассасываются. Когда же температура и давление в веществе близки к критическим, то в объеме, охваченном флуктуацией, становится возможным появление новой фазы. Все различие между фазовыми переходами первого и второго рода заключается в том, что флуктуации вблизи точки перехода развиваются по-разному.

Выше уже говорилось, что при переходе первого рода новая фаза возникает в виде зародышей внутри старой фазы. Причина их появления — это случайные флуктуации энергии и плотности. По мере приближения к точке перехода флуктуации, приводящие к новой фазе, происходят все чаще и чаще, и хотя каждая флуктуация охватывает очень малый объем, все вместе они могут привести к появлению макроскопического зародыша новой фазы, если в месте их образования имеется центр конденсации.

т. е. происходят во всем объеме. Ниже точки перехода, когда новая фаза уже установилась, они снова начинают здтухать и постепенно опять становятся короткодействующими и кратковременными.

Фазовый переход второго рода всегда связан с изменением симметрии системы, в новой фазе либо возникает порядок, которого не было в первоначальной (например, упорядочиваются магнитные моменты отдельных частиц при переходе в ферромагнитное состояние), либо изменяется уже существовавший порядок (при переходах с изменением кристаллической структуры).

Этот новый порядок содержится и во флуктуациях вблизи точки фазового перехода.

Фазовые переходы второго рода — очень сложное и интересное явление. Процессы, происходящие в непосредственной окрестности точки перехода, еще до конца не исследованы, и полная картина поведения физических величин в условиях бесконечных флуктуаций еще только создается.

Содержание работы

1. Введение. ……………………………………………………. 3
2. Фаза. ………………………………………………………. 4
2. 1. Фазовые переходы I рода. …………………………………. 5
2. 2. Фазовые переходы II рода. ……………………………. 7
3. Термодинамика фазовых превращений. ………………. 8
4. Потенциал Гиббса и энтальпия. ………………………..………. 13
5. Теория Ландау фазовых переходов II рода. ………..…………. 14
6. Фазовые превращения в сплавах. ………………………………… 15
7. Список используемой литературы. ………………………..……… 18

Файлы: 1 файл

материаловедение 1.doc

2. 1. Фазовые переходы I рода. …………………………………. 5

2. 2. Фазовые переходы II рода. ……………………………. 7

3. Термодинамика фазовых превращений. ………………. 8

4. Потенциал Гиббса и энтальпия. ………………………..………. 13

5. Теория Ландау фазовых переходов II рода. ………..…………. 14

6. Фазовые превращения в сплавах. ………………………………… 15

7. Список используемой литературы. ………………………..……… 18

химии твердого тела. Возникла потребность в теоретических подходах, обобщающих термодинамику Гиббса и термодинамику Ландау

Термодинамика делится на две части: феноменологическую и статистическую.

"Феноменологическая термодинамика исходит из ряда твердо установленных экспериментальных фактов, формулируемых как основные законы термодинамики. Феноменологическая термодинамика рассматривает любую среду как сплошную, не учитывая дискретную атомистическую природу вещества. ".

"Статистическая термодинамика исходит из представления о макроскопической системе как совокупности большого количества (≈10 20 и более) микрочастиц. Статистическая термодинамика устанавливает связь между свойствами макроскопической системы и свойствами микрочастиц, составляющих эту систему. ".

Феноменологическая термодинамика оперирует ненаблюдаемыми термодинамическими потенциалами. Даже внутренняя энергии системы не может быть измерена. В лучшем случае косвенно можно измерять ее изменение, пользуясь первым началом термодинамики. В рамках феноменологической термодинамики можно экспериментально получить уравнение состояния P = f (T,V), но даже уравнение состояния идеального газа невозможно вывести, так как вывод предполагает наличие модели точечных невзаимодействующих атомов, обладающих массой, импульсом и кинетической энергией.

Один из немногих результатов, полученных в рамках феноменологической термодинамики, который можно проверить экспериментально, — это уравнение Клаузиуса–Клапейрона.

Статистическая термодинамика обладает несравненно бóльшими возможностями для получения соотношений, которые можно проверить экспериментально. При этом за феноменологической термодинамикой остается роль "надзирательницы", и результаты, полученные в рамках статистической термодинамики, не должны противоречить выводам феноменологической термодинамики.

Фазовые переходы как первого, так и второго родов — это обширная область исследований, в основном экспериментальных. В 30-е годы XX столетия
Л. Д. Ландау создал феноменологическую теорию фазовых переходов второго рода, дальнейшее развитие которой привело к созданию аппарата ренормгруппы и έ-разложения.

Классификация фазовых превращений была предложена Эренфестом. Ее основная идея связана с разложением выражения для химического потенциала в ряд Тейлора по степеням dp и dT.

Различают фазовые переходы двух родов. Фазовый переход I рода (например, плавление, кристаллизация и т. д.) сопровождается поглощением или выделением теплоты, называемой теплотой фазового перехода.

Фазовые переходы первого рода характеризуются постоянством температуры, изменениями энтропии и объёма. Объяснение этому можно дать следующим образом. Например, при плавлении телу нужно сообщить некоторое количество теплоты, чтобы вызвать разрушение кристаллической решётки. Подводимая при плавлении теплота идёт не на нагрев тела, а на разрыв межатомных связей, поэтому плавление протекает при постоянной температуре. При подобных переходах – из более упорядоченного кристаллического состояния в менее упорядоченное жидкое состояние – степень беспорядка увеличивается и, с точки зрения второго начала термодинамики, этот процесс связан с возрастанием энтропии системы. Если переход происходит в обратном направлении (кристаллизация), то система теплоту выделяет.

В качестве примера на рисунке 1 показана температурная зависимость свободной энергии F, приходящейся на одну молекулу кристалла, при его превращении в пар. Верхняя ветвь отвечает кристаллическому состоянию, а нижняя ветвь представляет свободную энергию парообразной фазы. При низких температурах свободная энергия кристалла меньше, чем пара, и, следовательно, кристаллическое состояние выгоднее. При высоких температурах, наоборот, выгоднее существование парообразного состояния. Штриховыми линиями показаны области метастабильных, термодинамически неустойчивых 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 относится к кристаллическому состоянию, а верхняя - к парообразному. Скачок энергии в точке перехода представляет собой поглощаемую скрытую теплоту. Соответственно теплоемкость 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 переходов первого рода каждую из фаз обычно описывают отдельно. Так, кристаллическую ветвь рассматр ивают, пользуясь моделью идеального кристалла, т. е. предполагая регулярное расположение всех атомов. Парообразную же ветвь получают, используя модель идеального газа, предполагающую полный беспорядок в системе. Зависимости, полученные для различных моделей, накладывают друг на друга и исследуют, какая из возможностей реализуется в данных условиях. Получить описание фазового перехода первого рода, одновременно учитывая все состояния системы, до настоящего времени не удается из-за огромных математических трудностей.

2.2. Фазовые переходы II рода.

Фазовые переходы, не связанные с поглощением или выделением теплоты и изменением объема, называются фазовыми переходами II рода. Эти переходы характеризуются постоянством объема и энтропии, но скачкообразным изменением теплоемкости. Общая трактовка фазовых переходов II рода предложена советским ученым Л. Д. Ландау (1908—1968). Согласно этой трактовке, фазовые переходы II рода связаны с изменением симметрии: выше точки перехода система, как правило, обладает более высокой симметрией, чем ниже точки перехода.

Примерами фазовых переходов II рода являются: переход ферромагнитных веществ (железа, никеля) при определенных давлении и температуре в парамагнитное состояние; переход металлов и некоторых сплавов при температуре, близкой к 0 К, в сверхпроводящее состояние, характеризуемое скачкообразным уменьшением электрического сопротивления до нуля; превращение обыкновенного жидкого гелия (гелия I) при Т — 2,9 К в другую жидкую модификацию (гелий II), обладающую свойствами сверхтекучести.

Представление о переходах второго рода во многих важных случаях оказалось очень продуктивным при предсказании свойств одних фаз вещества по характеристикам других его фаз. Кроме утилитарного интереса к изучению переходов второго рода существует и чисто академический интерес к построению точной статистической теории этих переходов в области температур, непосредственно примыкающей к температуре перехода. В области внешних условий теория переходов второго рода должна строиться как статистическая теория многих тел. Такой теории нет. Однако многие приближенные методы расчета свойств вещества, развитые и апробированные при построении этой теории (так называемое e-разложение, ренорм-групповой анализ, метод функционального интегрирования, различные виды диаграммной техники и т.д.), определяют лицо современной теоретической физики. Сами же конкретные переходы второго рода в конденсированных средах служат экспериментальной базой для проверки применимости новых теоретических концепций.

Теория фазовых превращений, исследующая "естественные" процессы формирования и изменения гетерофазной структуры твердых тел, занимает важное место в физическом материаловедении, так как существует четкая корреляция между микроструктурой и свойствами материалов.

Наука о фазовых превращениях рассматривает как возникновение требуемой микроструктуры, так и ее нестабильность.

Любое фазовое превращение можно рассматривать с нескольких позиций. Во-первых, с точки зрения термодинамики процесса, которая отвечает на вопрос о том, почему происходит то или иное фазовое превращение. Термодинамика является дисциплиной формальной. Все законы и понятия в ней формируются как результат описания опыта без проникновения в молекулярный механизм процесса. Основными объектами термодинамики являются энергетические балансы и вопросы равновесия. Термодинамика дает общие методы описания процессов, не связанные с молекулярной теорией.

Во-вторых, говоря о фазовом превращении, следует рассматривать и его механизм. Механизм реакции (превращения) - это то, как отдельные столкновения и элементарные акты, включающие образование молекул, атомов, радикалов, ионов, совершаясь одновременно или последовательно, образуют в своей совокупности наблюдаемый процесс.

Выводы термодинамики, как науки об энергетических балансах и равновесиях, независимы от предположений о механизме, совершающемся в природе процессов. Первое начало термодинамики представляет собой общий закон сохранения энергии применительно к термическим явлениям. Второе начало термодинамики указывает на односторонность всех протекающих процессов, на стремление любой предоставленной самой себе системы к достижению конечного состояния равновесия. В совокупности первое и второе начала термодинамики позволяют дать в общем количественную формулировку условий равновесия, предсказать направление, в котором пойдет тот или другой процесс в данных конкретных условиях и степень его завершенности. Если из термодинамики следует, что в данных условиях какой-либо процесс невозможен, то это означает действительно полную невозможность его осуществления при помощи любого приспособления или катализатора - такую же невозможность, как создание вечного двигателя. Если же термодинамика устанавливает, что процесс возможен, то это указывает лишь на его принципиальную осуществимость. Реализация же этого процесса будет зависеть от того, с какой скоростью в рассматриваемых условиях будет двигаться состояние равновесия, т.е. от кинетических факторов.

Таким образом, кинетика процесса - третье направление анализа фазового превращения.

Кинетикой химических реакций называют учение о скоростях реакций. Химическая кинетика, изучающая реакции в их движении, может быть противопоставлена термодинамике, которая ограничивается лишь рассмотрением статики химических реакций - равновесий. Термодинамика в принципе при наличии некоторых исходных данных может предсказать эти равновесные состояния. Однако вопросы о том, в течение какого времени и каким путем совершаются те или иные процессы, находятся вне рамок термодинамики и время не входит в термодинамические уравнения.

Если отдельные области системы не различаются по составу и свойствам, то система называется физически однородной. Физически однородные системы представляют собой гомогенные системы. В гомогенных системах свойства изменяются непрерывно при переходе от одной точки системы к другой.

Гетерогенными называются системы, состоящие из нескольких гомогенных областей, разделенных границей, на которой имеет место разрыв непрерывности в изменении свойств.

Гомогенная часть гетерогенной системы, отделенная от других частей границей раздела, называется термодинамической фазой. Таким образом, гомогенная система однофазна, гетерогенная - многофазна. Фазы гетерогенной системы могут находиться в различных агрегатных состояниях, либо отличаться химическим составом или атомно-кристаллической структурой.

Изучение фазового состава, фазового равновесия и фазовых превращений является актуальной задачей, поскольку фазовый состав определяет физико-химические свойства этих систем. Часто важно бывает знать, возможно ли протекание какого-либо процесса и его конечный результат. Знание условий термодинамического равновесия позволяет предсказать, какие изменения возможны в данной системе.

Необходимым условием равновесия является отсутствие любых изменений системы: механических, физических, химических, проявляющихся в изменении со временем температуры, давления, объема, концентрации и т.д. Такое состояние называется стационарным. Если в системе не только все параметры постоянны во времени, но и нет стационарных потоков за счет действия внешних источников, то такие состояния называются равновесными.

Термодинамическое состояние системы характеризуется термодинамическими потенциалами. Особенность этих величин (характеристических функций) заключается в том, что их изменения при различных процессах не зависят от пути и промежуточных состояний, а зависят лишь от того, из какого начального в какое конечное состояние переходит система.

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Введение……………………………………………………………..2 Фазовые переходы первого и второго рода………………………..4 Идеальный газ……………………………………………………….7 Реальный газ………………………………………………………. 8 Молекулярно – кинетическая теория критических явлений….….9 Сверхтекучесть……………………………………………………..11 Сверхпроводимость………………………………………………..13

Открытие сверхпроводимости………………….…. 13Электрон – фононное взаимодействие……………..14Сверхпроводники первого и второго рода………. 16Рецепт изготовления сверхпроводника…………….17Техника безопасности……………………………….18Эффект Майснера……………………………………20

Фазами называют однородные различные части физико-химических систем. Однородным является вещество, когда все параметры состояния вещества одинаковы во всех его объемах, размеры которых велики по сравнению с межатомными состояниями. Смеси различных газов всегда составляют одну фазу, если во всем объеме они находятся в одинаковых концентрациях.Одно и то же вещество в зависимости от внешних условий может быть в одном из трех агрегатных состояний – жидком, твердом или газообразном. В зависимости от внешних условий может находиться в одной фазе, либо сразу в нескольких фазах. В окружающей нас природе мы особенно часто наблюдаем фазовые переходы воды. Например: испарение, конденсация. Существуют такие условия давления и температуры, при которых вещество находится в равновесии в различных фазах. Например, при сжижении газа в состоянии равновесия фаз объем, может быть каким угодно, а температура перехода связана с давлением насыщенного пара. Температуры, при которых происходят переходы из одной фазы в другую, называются температурами перехода. Они зависят от давления, хотя и в различной степени: температура плавления – слабее, температура парообразования и сублимации – сильнее. При нормальном и постоянном давлении переход происходит при определенном значении температуры, и здесь имеют место точки плавления, кипения и сублимации (или возгонки.). Сублимация - это переход вещества из твердого состояния в газообразное можно наблюдать, например, в оболочках кометных хвостов. Когда комета находится далеко от солнца, почти вся ее масса сосредоточена в ее ядре, имеющем размеры 10-12 километров. Ядро, окруженное небольшой оболочкой газа – это так называемая голова кометы. При приближении к Солнцу ядро и оболочки кометы начинают нагреваться, вероятность сублимации растет, а десублимации – уменьшается. Вырывающиеся из ядра кометы газы увлекают за собой и твердые частицы, голова кометы увеличивается в объеме и становится газопылевой по составу.

Фазовые переходы первого и второго рода.

Фазовые переходы бывают нескольких родов. Изменения агрегатных состояний вещества называют фазовыми переходами первого рода, если: 1)Температура постоянна во время всего перехода.2)Меняется объем системы.3) Меняется энтропия системы.Чтобы произошел такой фазовый переход, нужно данной массе вещества пообшить определенное количество тепла,

Каждое вещество в зависимости от внешних условий — температуры и давления — может находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии.

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.

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 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.

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.

Нужна помощь в написании доклада?

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.

Читайте также: