Фазовые переходы, агрегатные состояния веществ
При фазовых переходах первого рода скачком изменяются плотность веществ и энергия тела; очевидно, при фазовых переходах первого рода всегда выделяется или поглощается конечное количество тепловой энергии. При фазовых переходах второго рода плотность и энергия меняются непрерывно, а скачок испытывает такие величины, как теплоемкость, теплопроводность; фазовые переходы второго рода не сопровождаются поглощением или выделением энергии. Примером фазового перехода второго рода может служить переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние, переход ферромагнетика в парамагнетик при точке Кюри, переупорядочение кристаллов сплавов и др. Характерным примером фазового перехода первого рода может служить переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.
В физике рассматривают четыре агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. При переходах из одного агрегатного состояния в другое, как уже отмечено выше, обязательно выделяется или поглощается тепло. Переход от более упорядоченных структур к менее упорядоченным требует притока тепла извне, при обратных переходах выделяется такое же количество тепла, которое поглощается при прямом переходе. Отметим, что, как правило, переход из одного агрегатного состояния в другое обычно имеет место при постоянной температуре, таким образом, фазовый переход является источником энергии или поглотителем тепла, работающим практически при постоянной температуре.
|
|
|
Нередко изменения агрегатного состояния вещества позволяет очень просто решать до этого почти неразрешимые технические задачи. Например, как заполнить послойно емкость смешивающимися между собой жидкостями? Можно предложить такой способ – первую жидкость, налитую в емкость, замораживают, следующую жидкость наливают на верхний слой замороженной жидкости, а затем последнюю размораживают.
При изменениях агрегатного состояния резко изменяются электрические характеристики вещества. Так, если металл в твердом или жидком виде – проводник, то пары металла –типичный диэлектрик.
Как отмечалось выше, перекристаллизация металла является фазовым переходом второго рода. В момент перекристаллизации возникает эффект сверхпластичности металла. В этот момент металл, ранее имевший прочную и сверхпрочную структуру, становится пластичным как глина. Но длится это явление считанные мгновения и протекает в очень узком, причем непостоянном интервале температур. Непосредственно зафиксировать момент, когда начинается фазовое превращение, невозможно, но известно, что при перестройки кристаллической решетки металл начинает переходить из парамагнитного состояния в ферромагнитное, что сопровождается резким изменением его магнитной проницаемости. Это явление также может быть использовано в технических системах.
|
|
|
У сталей существует еще один фазовый переход, идущий при очень низких температурах (ниже минус -60 °С), когда аустенит в стали (это структурная составляющая железоуглеродистых сплавов – твердый раствор углерода (до 2 %), названная по имени английского металлурга У. Робертса-Остена [1]) переходит в мартенсит (от имена немецкого металловеда А. Мартенса – структурная составляющая кристаллических твердых тел, возникающая в результате мартенситного превращения). И в этот момент наблюдается эффект сверхпластичности. Это значит, что вообще можно отказаться от горячей штамповки, совместив этот процесс в сверхпластичном состоянии с закалкой стали в жидком азоте.
Интересно, что мартенсит имеет меньшую плотность, чем аустенит. Если к изогнутой деформацией части детали приложить хотя бы кусок "сухого льда" (температура ‑67 °С), то обрабатываемый участок расширится, распрямив тем самым деталь. При этом, поскольку фазовый переход необратим, то самопроизвольного восстановления кривизны в дальнейшем не произойдет. Превращение 10 % аустенита в мартенсит вызывает увеличение 100 миллиметрового диаметра изделия на 130 мкм, а переход 40 % аустенита в мартенсит – 400 мкм. К плюсам метода надо добавить наличие эффекта вне зависимости от времени выдержки и тот факт, что обработку изогнутых деталей холодом, как и радиацией, можно вести в сборке.
|
|
|
Изменяется плотность при фазовых переходах и у других веществ (вода, олово), что позволяет использовать их для получения высоких давлений. При фазовых переходах второго рода также наблюдаются интересные изменения макроскопических свойств объектов (рассмотрены в п. 7.8). У хрома есть любопытная температурная точка 37 °С, в котором он претерпевает фазовый переход, при этом у него скачком изменяется модуль упругости. На этом свойстве основан ряд изобретений, например, изготовление первичного температурного сенсора из чистого хрома.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 592; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!