Փուլային անցում

Փուլային անցում, փուլային փոխարկում, նյութի անցումը մի փուլից մյուսի՝ արտաքին պայմանների (ջերմաստիճանի, ճնշման, մագնիսական և Էլեկտրական դաշտերի և այլն) փոփոխման դեպքում։ Վիճակի դիագրամով համակարգի շարժման տեսանկյունից, նրա պարամետրերի փոփոխության դեպքում (ջերմաստիճան, ճնշում և այլն), փուլային անցումը տեղի է ունենում, երբ համակարգը հատում է երկու վիճակները բաժանող գիծը։ Քանի որ տարբեր ջերմադինամիկական վիճակները բնութագրվում են տարբեր վիճակի հավասարումներով, միշտ կարելի է գտնել մեծություն, որը թռիչքաձև փոխվում է փուլայն անցման ժամանակ։

Առավել հաճախ դիտարկվում է վիճակի անցումը ջերմաստիճանի փոփոխության դեպքում, սակայն հաստատուն ճնշման պայմաններում։ Այդ իսկ պատճառով օգտագործվում է վիճակի անցման «կետ» (այլ ոչ գիծ), հալման ջեմաստիճան և այլ արտահայտություններ։ Փուլային անցում կարող է տեղի ունենալ նաև ճնշման փոփոխության դեպքում, հաստատուն ջերմաստիճանի պայմաններում։

Ջերմաստիճանի, ճնշման կամ որևէ այլ ֆիզիկական մեծության այն արժեքը, որի դեպքում տեղի է ունենում փուլային անցում, անվանում են անցման կետ։ Ցանկացած փուլային անցման ժամանակ համակարգը բնութագրող մեծություններից որևէ մեկը փոխվում է թռիչքաձև։ Բոլոր փուլային անցումների ժամանակ անընդհատ կերպով է փոխվում տեսակարար թերմոդինամիկական պոտենցիալը, իսկ նրա տարբեր կարգի ածանցյալները կարող են փոխվել թռիչքաձև^[1][2]։ Ըստ տեսակարար թերմոդինամիկական պոտենցիալի փոփոխության՝ տարբերում են երկու սեռի փուլային անցում։

Այն փուլային անցումները, որոնց բնորոշ է տեսակարար թերոդինամիկական պոտենցիալի առաջին կարգի ածանցյալի թռիչքաձև փոփոխությունը, կոչվում են առաջին սեռի փուլային անցումներ։ Առաջին սեռի փուլային անցման ժամանակ կարող են թռիչքաձև փոխվել տեսակարար էնտրոպիան և խտությունը։ Ինչպես հայտնի է, տեսակարար թերմոդինամիկակն պոտենցիալի միջոցով տեսակարար էնտրոպիան և տեսակարար ծավալը որոշվում են հետևյալ կերպ՝

${\displaystyle s=-\left({\frac {\partial \varphi }{\partial T}}\right)_{P}}$; ${\displaystyle v=\left({\frac {\partial \varphi }{\partial P}}\right)_{T}}$:

Այստեղից երևում է առաջին սեռի փուլային անցումներին բնորոշ է տեսակարար էնտրոպիայի կամ տեսակարար ծավալի թռիչքաձև փոփոխությունը, կամ երկուսինը միաժամանակ։ Տեսակարար էնտրոպիայի թռիչքաձև փոփոխությունը նշանակում է, որ փուլային անցումն ուղեկցվում է կամ ջերմաքանակի կլանմամբ, կամ անջատմամբ։ Առաջին սեռի փուլային անցման ժամանակ համակարգին հաղորդված տեսակարար ջերմաքանակը որոշվում է ${\displaystyle q=T(s_{2}-s_{1})}$ արտահայտությամբ^[1], որտեղ ${\displaystyle s_{1}}$-ը և ${\displaystyle s_{2}}$-ը սկզբնական և վերջնական փուլերի տեսակարար էնտրոպիաներն են համապատասխանաբար։ Այս ջերմաքանակը կարելի մեկնաբանել որպես ջերմաքանակ, որն անհրաժեշտ է հաղորդել համակարգին՝ սկզբնական փուլից վերջնականին քվազիստացիոնար կերպով անցնելու համար։ ${\displaystyle q}$-ն կարող է լինել ինչպես դրական, այնպես էլ բացասական մեծություն։ Եթե ${\displaystyle q}$-ն դրական է, նշանակում է համակարգը մի փուլից մյուսին անցնելիս կլանում է ջերմաքանակ, իսկ ${\displaystyle q<0}$ նշանակում է, որ անցման ժամանակ համակարգը ջերմաքանակ է անջատում։ Առաջին սեռի փուլային անցումների օրինակներ են նյութի փոխակերպումները ագրեգատային վիճակների միջև՝ գոլորշիացումը և հեղուկացումը, հալումը և պնդացումը, որոշ կառուցվածքային անցումներ պինդ մարմիններում, փուլային անցումը մաքուր գերհաղորդիչներում արտաքին մագնիսական դաշտի ազդեցությամբ և այլն։ Առաջին սեռի փուլային անցմանը բնորոշ է մետաստաբիլ հավասարակշռության տիրույթի գոյությունը։ Օրինակ, հեղուկի տաքացնելով, այն կարելի է առանց փուլային անցման հասցնել եռման ջերմաստիճանից բարձր ջերմաստիճանների։ Մետաստաբիլ վիճակները կարող են տևել բավականաչափ երկար այն պատճառով, որ նոր փուլի առաջացումը սկսվում է սկզբնական փուլում նոր փուլի սաղմերի առաջացումից։ Եթե սաղմի չափերը գերազանցում են որոշակի կրիտիկական արժեք սկսվում է փուլային փոխակերպման պրոցեսը (օրինակ սկսվում է եռումը)։ Կրիտիկական և կրիտիկականից մեծ չափերի սաղմերի առաջացման հավանականությունը մեծանում է, եթե նյութում կան կողմնակի մարմիններ (օրինակ, փոշեհատիկներ կամ օդի պղպջակներ հեղուկում)։ Սակայն, կողմնակի մարմինների բացակայության դեպքում առաջացած փոքր սաղմերի համար մեծ է փոքր լինելու և անհետանալու հավանականությունը։ Մետաստաբիլ վիճակների հայտնի օրինակներ են գերտաքացած հեղուկը և գերհագեցած գոլորշին^[1]։

Այն փուլային անցումները, որոնց բնորոշ է տեսակարար թերմոդինամիկական պոտենցիալի առաջին կարգի ածանցյալի անընդհատ փոփոխություն, սակայն թռիչքաձև փոխվում է երկրորդ կարգի ածանցյալը, կոչվում են երկրորդ սեռի փուլային անցումներ։ Քանի որ այս անցումների ժամանակ տեսակարար թերմոդինամիկական պոտենցիալի առաջին կարգի ածանցյալները անընդհատորեն են փոխվում, ապա տեղի չեն ունենում տեսակարար էնտրոպիայի և տեսակարար ծավալի փռիչքաձև փոփոխություններ, որն էլ նշանակում է, որ երկրորդ սեռի փուլային անցումները չեն ուղեկցվում ջերմաքանակի կլանմամբ կամ անջատմամբ, ինչպես նաև՝ խտության փոփոխություններով։ Տեսակարար թերմոդինամիկական պոտենցիալի երկրորդ կարգի ածանցյալներն են՝

${\displaystyle {\frac {\partial ^{2}\varphi }{\partial T^{2}}}=-\left({\frac {\partial s}{\partial T}}\right)_{P}=-{\frac {c_{P}}{T}}}$

${\displaystyle {\frac {\partial ^{2}\varphi }{\partial P\partial T}}={\frac {\partial ^{2}\varphi }{\partial T\partial P}}=\left({\frac {\partial v}{\partial T}}\right)_{P}}$

${\displaystyle {\frac {\partial ^{2}\varphi }{\partial P^{2}}}=\left({\frac {\partial v}{\partial P}}\right)_{T}}$ :

Երկրորդ սեռի փուլային անցումներին բնորոշ է այս մեծությունների թռիչքաձև փոփոխությունը։ Առաջինն համեմատական է ${\displaystyle c_{P}}$ ջերմունակության (հաստատուն ճնշման դեպքում տեսակարար ջերմունակություն), հետևաբար, եթե անցման ժամանակ թռիչքաձև փոխվի այս մեծությունը, ապա թռիչքաձև կփոխվի ${\displaystyle c_{P}}$ ջերմունակությունը։ Երկրորդը համեմատական է ծավալային ընդարձակման ջերմաստիճանային ${\displaystyle \alpha ={\frac {1}{v_{0}}}\left({\frac {\partial v}{\partial T}}\right)_{P}}$ գործակցին, իսկ երրորդը՝ ${\displaystyle \gamma =-{\frac {1}{v}}\left({\frac {\partial v}{\partial P}}\right)_{T}}$ իզոթերմիկական սեղմման գործակցին։ Երկրորդ սեոի փուլային անցման օրինակներ են ջերմաստիճանի փոփոխությամբ պայմանավորված մագնիսական մոմենտի առաջացումը՝ պարամագնիսական փուլից ֆեռոմագնիսականի անցնելիս, հակաֆեռոմագնիսական կարգավորումը, գերհաղորդականության առաջացումը մետաղներում և համաձուլվածքներում, ինքնակամ բևեռացման առաջացումը սեգնետոէլեկտրիկներում և այլն։

Լ․ Դ․ Լանդաուն (1937) առաջարկել է երկրորդ սեռի բոլոր փուլային անցումները մեկնաբանել որպես սիմետրիայի փոփոխման կետեր^[2]․ անցման կետից բարձր վիճակներում համակարգի սիմետրիան ավելի բարձր է, քան այդ կետից ցածր։ Օրինակ, մագնիսական նյութերում մասնիկների տարրական մագնիսական մոմենտների (սպինների) ուղղություններն անցման կետից բարձր բաշխված են քաոսայնորեն, հետևաբար, միևնույն անկյունով նույն առանցքի շուրջը բոլոր սպինների պտույտի դեպքում համակարգի հատկությունները չեն փոխվում։ Անցման կետից ցածր սպիններն ունեն գերակշռող կողմնորոշում, և դրանց միաժամանակյա պտույտը փոխում է համակարգի մագնիսական մոմենտի ուղղությունը։

Քանի որ երկրորդ սեռի փուլային անցման կետի մոտ փուլերը քիչ են տարբերվում միմյանցից, ապա հնարավոր է մի փուլի մեջ մյուսի մեծ սաղմերի առաջացում (ֆլուկտուացիաներ)։ Նույնը տեղի է ունենում նաև առաջին սեռի փուլային անցման ժամանակ՝ այսպես կոչված կրիտիկական կետի շրջակայքում։ Դա հանգեցնում է փուլային անցման ժամանակ մի շարք կրիտիկական երևույթների առաջացման, մագնիսական ընկալունակության (ֆեռոմագնիսական նյութերում) և դիէլեկտրիկ հաստատունի (սեգնետոէլեկտրիկներում) անվերջ աճի, էլեկտրամագնիսական ալիքների անոմալ ցրման, ջերմունակության անվերջ աճի։

Կալապեյրոն-Կլաուզիուսի հավասարումը նկարագրում է հավասարակշռության մեջ գտնվող փուլերի ջերմաստիճանի և ճնշման կապը։ Առաջին սեռի փուլային անցումների համար հավասարումն ունի հետևյալ տեսքը՝

${\displaystyle {\frac {dP}{dT}}={\frac {q}{T(v_{1}-v_{2})}}}$

որտեղ ${\displaystyle q}$-ն անցման ջերմաքանակն է, իսկ ${\displaystyle v_{1}}$-ն ու ${\displaystyle v_{2}}$-ը սկզբնական և վերջնական փուլերի տեսակարար ծավալներն են համապատասխանաբար։ Այս հավասարումն անիաստ է երկրորդ սեռի փուլային անցումների համար, քանի որ այդպիսի անցումների դեպքում ${\displaystyle q=0}$ և ${\displaystyle v_{1}=v_{2}}$, հետևաբար հավասարման աջ մասը դառնում է ${\displaystyle {\frac {0}{0}}}$ տիպի անհեթեթություն։ Երկրորդ սեռի փուլային անցումների համար, Կլապեյրոն-Կլաուզիուսի հավասարման փոխարեն օգտվում են Էրենֆեստի հավասարումներից.

${\displaystyle (c_{2P}-c_{1P}){\frac {dT}{T}}=\left(\left({\frac {\partial v_{2}}{\partial T}}\right)_{P}-\left({\frac {\partial v_{1}}{\partial T}}\right)_{P}\right)dP}$

${\displaystyle c_{2v}-c_{1v}=-T\left(\left({\frac {\partial P}{\partial T}}\right)_{v_{2}}-\left({\frac {\partial P}{\partial T}}\right)_{v_{1}}\right){\frac {dv}{dT}}}$

Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից։

• Փուլ (թերմոդինամիկա)
• Գերտաքացած հեղուկ
• Քաոսի եզր
• Կլապեյրոն-Կլաուզիուսի հավասարում
• Սիմետրիա