Астронет > Обычные и необычные фазовые переходы

Астронет: СОЖ Обычные и необычные фазовые переходы
http://variable-stars.ru/db/msg/1175819

Обычные и необычные фазовые переходы

А. М. Скворцов (Санкт-Петербургский химико-фармацевтический институт)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 8, 1996 г. Содержание

Что такое фаза? Какие бывают фазовые переходы? Чем фазовый переход отличается от нефазового? Как проявляется фазовый переход при малом числе частиц в системе? Бывают ли необычные фазовые переходы? На эти и некоторые другие вопросы вы получите ответ, прочитав эту статью.

В "Физической энциклопедии" говорится, что фаза - это однородная часть термодинамической системы, то есть тело, физические и химические свойства которого во всех точках одинаковы и не зависят от количества вещества. Фазы отделены одна от другой поверхностями раздела. Эти поверхности раздела представляют собой слои небольшой толщины, внутри которых свойства системы могут меняться очень сильно.

Посмотрим, например, на воду, кипящую в закрытом сосуде. Мы увидим две фазы - пар и жидкость, которые разделены пограничным слоем. Если начать нагревать лед, то при нуле градусов Цельсия наряду с кусками льда в сосуде появится вода. Первоначально однородная система - лед, то есть одна фаза, распадется на две. В этом случае граница раздела является очень четкой. Однако если посмотреть в микроскоп, то узкий пограничный слой будет не так-то легко отнести к твердому или жидкому состоянию. Кристалл, жидкость и пар - самые привычные и часто встречающиеся примеры разных фаз одного и того же вещества. Они существенно отличаются по плотности и их называют агрегатными состояниями. Различные фазы одного и того же вещества совсем не обязательно существуют в разных агрегатных состояниях. Например, алмаз и графит - две твердые фазы углерода. Плотности алмаза и графита различаются всего на 25-30%. Однако они имеют разные кристаллические решетки и это обусловливает колоссальные различия в их свойствах: среди всех известных кристаллических веществ алмаз обладает наибольшей твердостью, а графит - наименьшей. Фазы могут быть почти неразличимы по плотности или твердости, но отличаться друг от друга своими магнитными характеристиками (способные к намагничиванию - ферромагнетики и неспособные к этому - парамагнетики) или какими-либо другими свойствами, например способностью проводить электрический ток. Говоря о фазах, обычно имеют в виду тела, состоящие из большого количества атомов или молекул, то есть содержащие порядка 6*10²³ атомов (порядка числа Авогадро). Если число атомов, содержащихся в какой-либо фазе, много меньше числа Авогадро, то такую систему называют "малой" и ее свойства, как правило, сильно отличаются от свойств обычной, "большой" системы.

При изменении внешних условий - температуры, давления, электрического или магнитного полей - фазы могут превращаться друг в друга. Такой процесс называют фазовым превращением, или фазовым переходом. Фазовые переходы постоянно происходят вокруг нас. Самые известные - это кипение, плавление, конденсация, кристаллизация, сублимация. Однако на этом список далеко не кончается. Существуют фазовые переходы в сверхпроводящее и сверхтекучее состояния, переходы в ферро- и парамагнетиках и многие другие.

Характерной особенностью фазового превращения, или фазового перехода, является резкое изменение свойств вещества. Поэтому фазовые переходы представляют интересный объект изучения как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точки зрения практических применений [Штейнберг А.С. , 1989]. Существует еще одно обстоятельство, делающее важным изучение фазовых переходов. Дело в том, что в окрестностях фазового перехода свойства системы не только меняются резким и зачастую непредсказуемым образом, а интервал этих изменений чрезвычайно узок, но и поведение системы в этом интервале оказывается чувствительным к небольшим внешним воздействиям - примесям, слабым полям, что существенно с точки зрения технических приложений и вызывает интерес у представителей других областей науки, например, у биологов и медиков [Волькенштейн М.В., 1980]. Неудивительно, что фазовые переходы являются предметом многочисленных исследований; достаточно сказать, что в среднем через каждые несколько дней появляется новая работа в этой области. В настоящее время принято относить исследование фазовых переходов к числу наиболее фундаментальных проблем физики.

Вперед