Fazna transformacija

S Vikipedije, slobodne enciklopedije

Fazna transformacija (fazna promena) unutar jednog fizičko—hemijskog sistema je promena jednog agregatnog stanja ili makroskopskog uređenja u drugo. Ta promena se manifestuje naglom promenom jedne (ili više) fizičko—hemijskih osobina, u zavisnosti od promene neke od funkcija stanja (npr. temperatura ili pritisak). Fazne transformacije u domenu pritisak-zapremina-temperatura spadaju u oblast fizike pod imenom termodinamika. U fazne promene se ubrajaju i kvalitativne promene koje izaziva magnetsko polje (oblast elektromagnetizma).

Klasifikacije[uredi | uredi izvor]

Erenfestova klasifikacija[uredi | uredi izvor]

Pol Erenfest je klasifikovao fazne prelaze na osnovu ponašanja termodinamičke slobodne energije kao funkcije drugih termodinamičkih varijabli.[1] Prema ovoj šemi, fazni prelazi su označeni najnižim derivatom slobodne energije koji je diskontinuiran na prelazu. Fazni prelazi prvog reda pokazuju diskontinuitet u prvom derivatu slobodne energije u odnosu na neku termodinamičku promenljivu.[2] Različiti prelazi čvrsto stanje/tečnost/gas su klasifikovani kao prelazi prvog reda, jer uključuju diskontinualnu promenu gustine, koja je (inverzna) prvom derivatu slobodne energije u odnosu na pritisak. Fazni prelazi drugog reda su kontinuirani u prvom izvodu (parametar reda, koji je prvi izvod slobodne energije u odnosu na spoljašnje polje, i kontinuiran je preko prelaza), ali pokazuju diskontinuitet u drugom izvodu slobodne energije.[2] Ovo uključuje feromagnetni fazni prelaz u materijalima kao što je gvožđe, gde se magnetizacija, koja je prvi derivat slobodne energije u odnosu na primenjenu jačinu magnetnog polja, neprekidno povećava od nule kako se temperatura spušta ispod Kirijeve temperature. Magnetna susceptibilnost, drugi derivat slobodne energije sa poljem, se diskontinuirano menja. Prema Erenfestovoj klasifikacionoj šemi, u principu bi mogli postojati treći, četvrti i fazni prelazi višeg reda.

Savremene klasifikacije[uredi | uredi izvor]

U modernoj klasifikacionoj šemi, fazni prelazi su podeljeni u dve široke kategorije, nazvane slično Erenfestovim klasama:[1]

Fazni prelazi prvog reda su oni koji uključuju latentnu toplotu. Tokom takve tranzicije, sistem ili apsorbuje ili oslobađa fiksnu (i tipično veliku) količinu energije po zapremini. Tokom ovog procesa, temperatura sistema će ostati konstantna kako se toplota dodaje: sistem je u „mešovitom faznom režimu“ u kome su neki delovi sistema završili prelaz, a drugi nisu.[3][4] Poznati primeri su topljenje leda ili ključanje vode (voda se ne pretvara trenutno u paru, već formira turbulentnu mešavinu tečne vode i parnih mehurića). Josef Imri i Majkl Vortis su pokazali da ugašeni poremećaj može proširiti tranziciju prvog reda. To jest, transformacija je završena u konačnom opsegu temperatura, ali fenomeni kao što su prehlađenje i pregrevanje opstaju i histereza se primećuje na termičkom ciklusu.[5][6][7]

Fazni prelazi drugog reda se takođe nazivaju „kontinuiranim faznim prelazima“. Karakteriše ih divergentna osetljivost, beskonačna dužina korelacije i raspad korelacija u blizini kritičnosti po stepenom zakonu. Primeri faznih prelaza drugog reda su feromagnetni prelaz, supravodljivi prelaz (za fazni prelaz superprovodnika tipa I je drugog reda pri nultom spoljašnjem polju, a za superprovodnik tipa II fazni prelaz je drugog reda za normalne prelaze mešovitog stanje i prelaze mešovitog stanja u superprovodno stanje) i prelaz superfluida. Za razliku od viskoziteta, termička ekspanzija i toplotni kapacitet amorfnih materijala pokazuju relativno iznenadnu promenu temperature staklastog prelaza[8] što omogućava preciznu detekciju korišćenjem merenja diferencijalne skenirajuće kalorimetrije. Lev Landau je proizveo fenomenološku teoriju faznih prelaza drugog reda.

Osim izolovanih, jednostavnih faznih prelaza, postoje prelazne linije kao i višekritične tačke, kada variraju spoljni parametri poput magnetnog polja ili sastava.

Nekoliko prelaza je poznato kao fazni prelazi beskonačnog reda. Oni su kontinuirani, ali ne prekidaju simetrije. Najpoznatiji primer je prelaz Kosterlic–Taulesa u dvodimenzionalnom XY modelu. Mnogi kvantni fazni prelazi, na primer, u dvodimenzionalnim elektronskim gasovima, pripadaju ovoj klasi.

Prelazak tečnost-staklo se primećuje u mnogim polimerima i drugim tečnostima koje se mogu superohladiti daleko ispod tačke topljenja kristalne faze. Ovo je netipično u nekoliko aspekata. To nije prelaz između termodinamičkih osnovnih stanja: široko se veruje da je pravo osnovno stanje uvek kristalno. Staklo je stanje ugašenog poremećaja, a njegova entropija, gustina i tako dalje zavise od termalne istorije. Stoga je staklena tranzicija prvenstveno dinamička pojava: pri hlađenju tečnosti unutrašnji stepeni slobode sukcesivno ispadaju iz ravnoteže. Neke teorijske metode predviđaju osnovnu faznu tranziciju u hipotetičkoj granici beskonačno dugih vremena relaksacije.[9][10] Nijedan direktni eksperimentalni dokaz ne podržava postojanje ovih prelaza.

Pokazano je da je tranzicija geliranja koloidnih čestica fazna tranzicija drugog reda u neravnotežnim uslovima.[11]

Karakteristična svojstva[uredi | uredi izvor]

Fazna koegzistencija[uredi | uredi izvor]

Tranzicija prvog reda proširena poremećajem javlja se u konačnom opsegu temperatura gde deo niskotemperaturne ravnotežne faze raste od nule do jedan (100%) kako se temperatura snižava. Ova kontinuirana varijacija koegzistirajućih frakcija sa temperaturom otvorila je zanimljive mogućnosti. Prilikom hlađenja, neke tečnosti se vitrifikuju u staklo umesto da se transformišu u ravnotežnu kristalnu fazu. Ovo se dešava ako je brzina hlađenja veća od kritične brzine hlađenja, a pripisuje se molekularnim kretanjima koja postaju toliko spora da molekuli ne mogu da se preurede u kristalne položaje.[12] Ovo usporavanje se dešava ispod temperature formiranja stakla Tg, koja može zavisiti od primenjenog pritiska.[8][13] Ako se tranzicija zamrzavanja prvog reda dešava u opsegu temperatura, i Tg spada u ovaj opseg, onda postoji interesantna mogućnost da se tranzicija zaustavi kada je delimična i nepotpuna. Proširivanje ovih ideja na magnetne prelaze prvog reda koji se zaustavljaju na niskim temperaturama, rezultiralo je posmatranjem nepotpunih magnetnih prelaza, sa dve magnetne faze koje koegzistiraju, sve do najniže temperature. Prvi put objavljena u slučaju feromagnetne u anti-feromagnetnu tranziciju,[14] takva istrajna koegzistencija faza je sada prijavljena u nizu magnetnih prelaza prvog reda. To uključuje manganitne materijale kolosalne magnetootpornosti,[15][16] magnetokalorične materijale,[17] materijale sa memorijom magnetnog oblika,[18] i druge materijale.[19] Interesantna karakteristika ovih zapažanja Tg opadanja unutar temperaturnog opseg u kome se tranzicija dešava je da je magnetni prelaz prvog reda pod uticajem magnetnog polja, baš kao što je na strukturni prelaz utiče pritisak. Relativna lakoća kojom se magnetna polja mogu kontrolisati, za razliku od pritiska, otvara mogućnost da se može na iscrpan način proučavati interakcija između Tg i Tc. Fazni koegzistencija preko magnetnih prelaza prvog reda stoga omogućava rešavanje otvorenih pitanja u razumevanju stakla.

Primeri faznih transformacija[uredi | uredi izvor]

Fazna promena
Početno stanje Čvrsto Tečno Gasovito Plazma
Čvrsto Čvrsto-Čvrsto Topljenje Sublimacija -
Tečno Mržnjenje - Isparavanje -
Gas Resublimacija Kondenzacija - Jonizacija
Plazma - - Rekombinacija/Neutralizacija jona -

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ a b Jaeger, Gregg (1. 5. 1998). „The Ehrenfest Classification of Phase Transitions: Introduction and Evolution”. Archive for History of Exact Sciences. 53 (1): 51—81. S2CID 121525126. doi:10.1007/s004070050021. 
  2. ^ a b Blundell, Stephen J.; Katherine M. Blundell (2008). Concepts in Thermal Physics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856770-7. 
  3. ^ Faghri, A., and Zhang, Y., Transport Phenomena in Multiphase Systems, Elsevier, Burlington, MA, 2006,
  4. ^ Faghri, A., and Zhang, Y., Fundamentals of Multiphase Heat Transfer and Flow, Springer, New York, NY, 2020
  5. ^ Imry, Y.; Wortis, M. (1979). „Influence of quenched impurities on first-order phase transitions”. Phys. Rev. B. 19 (7): 3580—3585. Bibcode:1979PhRvB..19.3580I. doi:10.1103/physrevb.19.3580. 
  6. ^ Kumar, Kranti; Pramanik, A. K.; Banerjee, A.; Chaddah, P.; Roy, S. B.; Park, S.; Zhang, C. L.; Cheong, S.-W. (2006). „Relating supercooling and glass-like arrest of kinetics for phase separated systems: DopedCeFe2and(La,Pr,Ca)MnO3”. Physical Review B. 73 (18): 184435. Bibcode:2006PhRvB..73r4435K. ISSN 1098-0121. S2CID 117080049. arXiv:cond-mat/0602627 Slobodan pristup. doi:10.1103/PhysRevB.73.184435. 
  7. ^ Pasquini, G.; Daroca, D. Pérez; Chiliotte, C.; Lozano, G. S.; Bekeris, V. (2008). „Ordered, Disordered, and Coexistent Stable Vortex Lattices inNbSe2Single Crystals”. Physical Review Letters. 100 (24): 247003. Bibcode:2008PhRvL.100x7003P. ISSN 0031-9007. PMID 18643617. S2CID 1568288. arXiv:0803.0307 Slobodan pristup. doi:10.1103/PhysRevLett.100.247003. 
  8. ^ a b Ojovan, M.I. (2013). „Ordering and structural changes at the glass-liquid transition”. J. Non-Cryst. Solids. 382: 79—86. Bibcode:2013JNCS..382...79O. doi:10.1016/j.jnoncrysol.2013.10.016. 
  9. ^ Gotze, Wolfgang. "Complex Dynamics of Glass-Forming Liquids: A Mode-Coupling Theory."
  10. ^ Lubchenko, V. Wolynes; Wolynes, Peter G. (2007). „Theory of Structural Glasses and Supercooled Liquids”. Annual Review of Physical Chemistry. 58: 235—266. Bibcode:2007ARPC...58..235L. PMID 17067282. S2CID 46089564. arXiv:cond-mat/0607349 Slobodan pristup. doi:10.1146/annurev.physchem.58.032806.104653. 
  11. ^ Rouwhorst, J; Ness, C.; Soyanov, S.; Zaccone, A.; Schall, P (2020). „Nonequilibrium continuous phase transition in colloidal gelation with short-range attraction”. Nature Communications. 11 (1): 3558. Bibcode:2020NatCo..11.3558R. PMID 32678089. arXiv:2007.10691 Slobodan pristup. doi:10.1038/s41467-020-17353-8 Slobodan pristup. 
  12. ^ Greer, A. L. (1995). „Metallic Glasses”. Science. 267 (5206): 1947—1953. Bibcode:1995Sci...267.1947G. PMID 17770105. S2CID 220105648. doi:10.1126/science.267.5206.1947. 
  13. ^ Tarjus, G. (2007). „Materials science: Metal turned to glass”. Nature. 448 (7155): 758—759. Bibcode:2007Natur.448..758T. PMID 17700684. S2CID 4410586. doi:10.1038/448758a Slobodan pristup. 
  14. ^ Manekar, M. A.; Chaudhary, S.; Chattopadhyay, M. K.; Singh, K. J.; Roy, S. B.; Chaddah, P. (2001). „First-order transition from antiferromagnetism to ferromagnetism inCe(Fe0.96Al0.04)2”. Physical Review B. 64 (10): 104416. Bibcode:2001PhRvB..64j4416M. ISSN 0163-1829. S2CID 16851501. arXiv:cond-mat/0012472 Slobodan pristup. doi:10.1103/PhysRevB.64.104416. 
  15. ^ Banerjee, A.; Pramanik, A. K.; Kumar, Kranti; Chaddah, P. (2006). „Coexisting tunable fractions of glassy and equilibrium long-range-order phases in manganites”. Journal of Physics: Condensed Matter. 18 (49): L605. Bibcode:2006JPCM...18L.605B. S2CID 98145553. arXiv:cond-mat/0611152 Slobodan pristup. doi:10.1088/0953-8984/18/49/L02. 
  16. ^ Wu W.; Israel C.; Hur N.; Park S.; Cheong S. W.; de Lozanne A. (2006). „Magnetic imaging of a supercooling glass transition in a weakly disordered ferromagnet”. Nature Materials. 5 (11): 881—886. Bibcode:2006NatMa...5..881W. PMID 17028576. S2CID 9036412. doi:10.1038/nmat1743. 
  17. ^ Roy, S. B.; Chattopadhyay, M. K.; Chaddah, P.; Moore, J. D.; Perkins, G. K.; Cohen, L. F.; Gschneidner, K. A.; Pecharsky, V. K. (2006). „Evidence of a magnetic glass state in the magnetocaloric material Gd5Ge4”. Physical Review B. 74 (1): 012403. Bibcode:2006PhRvB..74a2403R. ISSN 1098-0121. doi:10.1103/PhysRevB.74.012403. 
  18. ^ Lakhani, Archana; Banerjee, A.; Chaddah, P.; Chen, X.; Ramanujan, R. V. (2012). „Magnetic glass in shape memory alloy: Ni45Co5Mn38Sn12”. Journal of Physics: Condensed Matter. 24 (38): 386004. Bibcode:2012JPCM...24L6004L. ISSN 0953-8984. PMID 22927562. S2CID 206037831. arXiv:1206.2024 Slobodan pristup. doi:10.1088/0953-8984/24/38/386004. 
  19. ^ Kushwaha, Pallavi; Lakhani, Archana; Rawat, R.; Chaddah, P. (2009). „Low-temperature study of field-induced antiferromagnetic-ferromagnetic transition in Pd-doped Fe-Rh”. Physical Review B. 80 (17): 174413. Bibcode:2009PhRvB..80q4413K. ISSN 1098-0121. S2CID 119165221. arXiv:0911.4552 Slobodan pristup. doi:10.1103/PhysRevB.80.174413. 

Literatura[uredi | uredi izvor]

Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]

Fazna transformacija na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Фазна_трансформација&oldid=27553667”