7.Энтропия и фазовые переходы вещества.

Как известно, существует три агрегатных состояниях вещества – твёрдое, жидкое и газообразное. В термодинамике вводится более широкое понятие – фаза. Фазой называют совокупность всех частей термодинамической системы, обладающих одинаковым химическим составом, находящихся в одном и том же агрегатном состоянии и ограниченных поверхностями раздела. Это термодинамически равновесное состояние данного вещества, отличающееся по своим свойствам от других возможных равновесных состояний (других фаз) того же вещества. Фаза – понятие более широкое, чем агрегатное состояние, поскольку, например, твёрдое вещество может иметь различные фазы, отличающиеся друг от друга типом кристаллической структуры, электропроводностью, наличием или отсутствием сверхпроводимости и др.

Переход вещества из одной фазы в другую – фазовый переход – происходит при изменении внешних условий – температуры, давления, магнитного и электрического полей и т.д., причём как правило предполагается, что внешние условия изменяются непрерывно, а фазовый переход происходит скачком. Значение температуры, давления или какой-либо другой физической величины, при котором происходит фазовый переход, называют точкой перехода.

При фазовых переходах I рода скачком меняются такие характеристики вещества, как плотность, объём, концентрация компонентов. Они происходят при постоянной температуре с изменением энтропии. При таких переходах в единице массы вещества выделяется или поглощается определённое количество теплоты, называемое теплотой фазового перехода. Примерами могут служить испарение и конденсация, плавление и кристаллизация, переход графита в алмаз при больших давлениях и т.д. Во всех случаях изменяется степень упорядоченности в многочастичной системе, например, при плавлении кристаллического вещества более упорядоченное состояние сменяется менее упорядоченным – жидким, при этом энтропия возрастает; при кристаллизации энтропия убывает.

При фазовых переходах II рода некоторая физическая величина, равная нулю с одной стороны от точки перехода, постепенно растёт при удалении от точки перехода в другую сторону, при этом плотность изменяется непрерывно, теплота не выделяется и не поглощается. Энтропия системы при этом не изменяется. Общая трактовка фазовых переходов II рода предложена академиком Ландау в 1937 г. Такие переходы связаны с изменением уровня симметрии, понимаемой как равенство объекта самому себе при различных преобразованиях (поворот, сдвиг и др.). Выше точки перехода система обладает, как правило, более высокой симметрией, чем ниже точки перехода, и преобразования, не изменяющие свойства системы при более высоких температурах, изменяют эти свойства при низких температурах. Симметрия изменяется скачкообразно, однако величина, характеризующая нарушение симметрии, может меняться непрерывно; эта величина называется параметром порядка. Параметр порядка равен нулю выше точки перехода и в самой точке перехода. Примеры фазовых переходов II рода: переход ферромагнитных веществ при определённых температурах и давлениях в парамагнитное состояние, переход двухкомпонентного сплава из одной кристаллической модификации в другую. Параметрами порядка в этих случаях являются соответственно намагниченность ферромагнетика и вероятность обнаружения атома одного из металлов в соответствующем узле кристаллической решётки сплава.

Фазовые переходы – это коллективное явление, происходящее в системах с очень большим числом частиц. Их изучение чрезвычайно важно для практического использования в различных областях науки, техники и технологии. Теория фазовых переходов является примером сочетания термодинамического и статистического подходов к исследованию свойств вещества.