Фазовые переходы. Нарушения симметрии при фазовых переходах и параметр порядка.
Фазами называются различные однородные по своим свойствам части физико-химических систем (от слова «фазис» - состояние). У всех элементов системы, находящихся в одной фазе, должны быть одинаковы плотность, концентрация, температура, удельный объем, вязкость, электрические и магнитные свойства и т.д. В частности, фазами вещества являются его агрегатные состояния – твердое, жидкое, газообразное. Система может находиться в равновесии либо в одной фазе, либо сразу в нескольких (например, вода и лед при 0оС). Переходы системы из одной фазы в другую называются фазовыми переходами. Самые известные фазовые переходы – это изменения агрегатного состояния вещества: · Твердое тело «жидкость (плавление «кристаллизация) · Жидкость «газ (испарение «конденсация) · Твердое тело «газ (возгонка «сублимация) Такие переходы называются фазовыми переходами I рода. В результате таких переходов при непрерывном поступлении теплоты в систему скачком меняются плотность, концентрация, молярный объем и т.п. Сам процесс идет при постоянной температуре, но требует дополнительной “скрытой теплоты фазового перехода”. Эта теплота расходуется на преодоление сил сцепления молекул, т.е. на увеличение беспорядка в системе, в полном соответствии с определением энтропии
При обратном фазовом переходе скрытая теплота выделяется. Существуют также фазовые переходы II рода, которые не сопровождаются поглощением или выделением теплоты. Примером может служить переход ферромагнетика в парамагнетик при определенной температуре Ткр, возникновение сверхпроводимости и сверхтекучести. Скачком изменяются теплоемкость, удельное электрическое сопротивление (проводимость), вязкость и т.п. Плотность и концентрация меняются непрерывно. Л.Д. Ландау показал, что фазовые переходы II рода связаны с изменением симметрии системы: выше точки перехода система, как правило, обладает более высокой симметрией. Например, в магнетике ниже Ткр спины имеют преимущественную ориентацию и их одновременный поворот (во внешнем магнитном поле) меняет направление магнитного момента всей системы (т.е. происходит намагничивание ферромагнетика). Выше Ткр спины ориентированы хаотически, и их одновременный поворот на одинаковый угол не меняет свойств системы (парамагнетик). Ландау ввел специальную величину – параметр порядка (коэффициент упорядочения). Примером параметра порядка может служить плотность при фазовом переходе жидкость-пар или намагниченность при переходе в ферромагнитное состояние. Параметр порядка характеризует корреляцию, т.е. взаимосвязь, существующую между удаленными частями системы. Ландау разложил одну из функций состояния термодинамической системы (термодинамический потенциал) в ряд по степеням параметра порядка. Оказалось, что каждый член ряда описывает фазовый переход соответствующего рода. Это позволило описать все известные фазовые переходы единым образом и предсказать новые типы. На основании этого разложения Ландау удалось создать теорию сверхтекучести и сверхпроводимости. Итак, хаос и порядок в термодинамической системе – не просто бытовые образы, а физические величины, которые могут быть измерены количественно и изучение которых приводит к крайне важным результатам.
Лекция 16. Синергетика. Соотношение порядка и хаоса в открытых неравновесных системах.
|
.
