к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Диаграмма состояния (фазовая диаграмма)

Диаграмма состояния (фазовая диаграмма) - диаграмма, изображающая зависимость устойчивого фазового состояния одно- или многокомпонентного вещества от термодинамич. параметров, определяющих это состояние (температуры T, давления P, напряжённостей магн. H или электрич. E полей, концентрации с и др.). Каждая точка Д. с. (фигуративная точка) указывает на фазовый состав вещества при заданных значениях термодинамич. параметров (координатах этой точки). В зависимости от числа внеш. параметров Д. с. может быть двумерной, трёхмерной и многомерной. При исследовании равновесия фаз в условиях перем. давления строят изобарич. и изоконцентрац. сечения и проекции на плоскости T-P или Р-с. Наиб. полно изучены изобарич. Т-с сечения Т-Р-с Д. с., соответствующие атм. давлению.

Устойчивому состоянию системы при заданных T и P соответствует минимум Гиббса энергии системы G. Из этого условия вытекают ур-ния равновесия, определяющие границы фаз на Д. с. Ур-ние фазового равновесия однокомпонентного вещества выражается равенством мольных энергий Гиббса этих фаз; в дифференц. форме - это Клапейрона-Клаузиуса уравнение. Ур-ния равновесия многокомпонентной системы сводятся к равенству хим. потенциалов1119931-264.jpg каждого компонента i во всех фазах j:

1119931-265.jpg

Анализ системы ур-ний (*) приводит к Гиббса правилу фаз. Это правило определяет наиб. число фаз, к-рые могут находиться в равновесии, и число независимых параметров (степеней свободы), изменение к-рых не нарушает фазового состояния вещества. Нонвариантному равновесию (0 степеней свободы) соответствуют на Д. с. точки, одновариантному - линии, двухвариантному - участки плоскости и т. д.

Д. с. однокомпонентного вещества обычно строится на плоскости в координатах T-P, T-V, P-V, T-H и др. Темп-pa равновесия двух фаз однокомпонентного вещества при заданном давлении определяется точкой пересечения кривых G(T)этих фаз (рис. 1). В тройных точках пересекаются три кривые попарного равновесия фаз, эти точки соответствуют равновесию трёх фаз. Равновесие большего числа фаз невозможно. Кривая равновесия двух фаз может оканчиваться в критической точке.

Для двухкомпонентных веществ система ур-ний (*) геометрически соответствует условиям общего касания к кривым G(с) (рис. 2) сосуществующих фаз; точки касания определяют структуру и составы фаз, находящихся в равновесии при заданных условиях. Концентрации фаз в двухфазном состоянии определяют с помощью конод (изотермич. прямых на изобарич. сечениях, соединяющих точки фазовых границ; см. рис. 3, а). Относит. количества фаз в двухфазном состоянии определяются правилом рычага.

1119931-266.jpg

Рис. 1. Зависимость энергии Гиббса G двух фаз I и II от температуры.

1119931-267.jpg

Рис. 2. Участки диаграммы состояния разных типов (вверху) и соответствующие им кривые G(с).

При фазовых переходах 2-го рода правило фаз Гиббса неприменимо, поэтому на T-с Д. с. такие фазы не всегда разделяются двухфазными областями, в отличие от переходов 1-го года (см. рис. 2,в, выше K2).

На рис. 2 показаны участки Д. с. разных типов и соответствующие им кривые G(с). На рис. 2, а изображено равновесие фаз с разными структурами, на рис. 2, б - равновесие изоструктурных фаз с критич. точками изоконцентрационного превращения К1 ирасслоения K2; на рис. 2, в - переход порядок-беспорядок с двумя критич. точками изоконцентрац. перехода K1 (трикритич. точка) и расслоения K2. Когда фазы имеют разную структуру (рис. 2, а), каждой из них соответствует своя зависимость G(C), а в случае изоструктурных фаз (рис. 2, б)и переходов типа порядок -беспорядок (рис. 2, в) обе фазы описываются единой зависимостью G(с) (одной кривой с "петлёй" и без неё). Знание положения линий Т0(с) - линий равных энергий Гиббса обеих фаз одного и того же состава (см. штриховые линии на рис. 2) - важно в тех случаях, когда из-за малой диффузионной подвижности реализуются изоконцентрац. ("бездиффузионные") превращения (см. Мартенситное превращение, Кристаллизация). При отсутствии пересечения линий G(c) (рис. 2, б, в при T>TK1) изоконцентрац. равновесия нет. В интервале TK1<Т<TK2 имеет место расслоение, аналогичное расслоению жидких и твёрдых растворов. На рис. 2, в (Т>TK1)на кривых G(C) имеется точка ветвления, соответствующая фазовому переходу 2-го рода.

1119931-268.jpg

Рис. 3. Диаграммы состояний разных типов в координатах T-с: ж - жидкая фаза,1119931-269.jpg - твёрдые фазы, AmBn - хим. соединение компонентов, С, D - тройные точки, E, E1, E2 - эвтектические точки, M - точки максимума и минимума, P - перитектическая точка.

Д. с. могут иметь разнообразную форму (рис. 3). К одному типу могут быть отнесены Д. с., на к-рых сохраняются неизменными число, размерность и взаимное расположение всех геом. элементов (характерных точек, линий, областей). Форма и размер отрезков линий и областей могут изменяться при сохранении типа Д. с. К характерным точкам относятся: критич. точки, точки фазовых переходов 2-го рода, трикритич. точки, точки равных концентраций с максимумом или минимумом M (рис. 3, б, в, е), точки равновесия трёх фаз (тройные точки на Д. с. однокомпонентного вещества), эвтектическая E (рис. 3, г), перитектическая P (рис. 3 д, и), монотектическая (рис. 3, и)точки, точка инконгруэнтного плавления соединения J (рис. 3, з). К характерным точкам можно также отнести точки фазовых переходов компонентов и соединений (в последнем случае при наличии сингулярной точки Д. с. разбивается на две: см. рис. 3, ж), точки максимумов и минимумов на их кривых плавления. На одной Д. с. может быть неск. характерных точек. Появление или исчезновение одной из них меняет тип Д. с. Эволюция T-с изобарич. сечений Т-Р-с Д. с. при изменении давления может привести к смене типов этих сечений (рис. 4) при переходе через граничные (переходные) Д. с. (рис. 4, б, д).

1119931-270.jpg

Рис. 4. Эволюция изобарических сечений диаграммы состояний двухкомпонентного вещества: а, б, в - простейшие Д. с., г, д,е - сложные. Пунктиром показаны метастабильные диаграммы состояний или их участки: ж - жидкая фаза, 1119931-271.jpg - твёрдые фазы.


Д. с. трёхкомпонентного вещества при пост. P трёхмерна. Система координат, в к-рой она изображается, представляет собой рёбра трёхгранной призмы, основанием к-рой служит концентрац. треугольник; ось T перпендикулярна основанию, а грани являются Д. с. бинарных систем.

На плоскости строят изотермич. (рис. 5), политермич. и квазибинарные сечения трёхмерной Д. с. Политермическими наз. сечения плоскостью, параллельной оси T. Квазибинарными - Д. с. систем, компонентами к-рых являются соединения, образующиеся в двух бинарных системах, или соединение и один из компонентов. Относит. количества фаз, находящихся в равновесии, определяются правилом центра тяжести. Как и правило рычага, оно следует из условия сохранения количества каждого компонента. Д. с. n-компонентной системы при перем. T и P - (n+1)-мерны. Для их изображения разрабатывают спец. методы.

1119931-272.jpg

Рис. 5. Изотермическое сечение диаграммы состояний трёхкомпонентного вещества в случае ограниченной растворимости в твёрдых растворах 1119931-273.jpg и1119931-274.jpg


Имеется ряд ограничений на структуру Д. с. Так, согласно третьему началу термодинамики, при T=0 К энтропия S=0, откуда вытекает неустойчивость растворов при 1119931-275.jpg К, они должны расслаиваться на смеси компонентов, соединений и стехиометрически упорядоченных фаз. Однако из-за малой диффузионной подвижности при 1119931-276.jpg К в большинстве случаев полного расслоения растворов наблюдать не удаётся. Границы равновесия двух фаз могут сливаться только в точках превращений чистых компонентов или в точках минимума или максимума этих границ.

Д. с., как правило, являются сложными и могут быть расчленены на простейшие. Д. с. на рис. 4, а-в являются простейшими. Д. с. на рис. 4, г-е расчленяются на три простейшие: 1119931-277.jpg , к-рые полностью или частично метастабильны. Д. с. одного и того же типа может быть как простейшей, так и сложной (ср. рис. 4, в, е). На Д. с. рис. 4, а-в можно нанести только одну линию T0)изоконцентрац. равновесия, 1119931-278.jpg ; на Д. с. рис. 4, г-е три такие линии: 1119931-279.jpg, 1119931-280.jpg . При изменении давления (или смене одного из компонентов) простейшие Д. с., составляющие сложную, смещаются относительно друг друга, что приводит к стабилизации одних участков Д. с. и дестабилизации других. Тип простейших Д. с. определяется термодинамич. свойствами компонентов в сосуществующих фазах и термодинамич. свойствами растворов.

Для построения Д. с. используют данные разл. методов: рентгеноструктурного, калориметрического, термического, дилатометрического, оптич. и электронной микроскопии, ЯМP и др.

Д. с. можно рассчитать, если известны аналитич. выражения для G(T,P,с)всех фаз, образующихся в данной системе. Для определения вида G(T, P, с)достаточно иметь эксперим. данные о термодинамич. свойствах системы. Однако обычно такие данные либо отсутствуют, либо неполны. Для конструирования G(T, P, с)используют поэтому теорию растворов, электронную теорию вещества, разл. рода эмпирич. и полуэмпирич. соотношения. Привлекают закономерности изменения свойств элементов с изменением их атомного номера и положения в таблице Менделеева, а также имеющиеся данные об известных участках Д. с., метастабильных фазах в рассматриваемой системе, её физ. свойствах. Наиб. перспективным путём построения Д. с. является оптим. сочетание всех методов (эксперим. и теоретич.) нахождения функций G(T, P, с) и последующего расчёта с помощью ЭВМ.

Д. с. используют на практике в материаловедении, металлургии, металловедении, химии, геологии и др.

Литература по диаграммам состояния, фазовым диаграммам

  1. Древинг В. П., Калашников Я. А., Правило фаз с изложением основ термодинамики, 2 изд., M., 1964;
  2. Захаров A. M., Диаграммы состояния двойных и тройных систем, 2 изд., M., 1978;
  3. Устойчивость фаз в металлах и сплавах, пер. с англ., M., 1970;
  4. Кауфман Л., Бернстейн Г., Расчёт диаграмм состояния с помощью ЭВМ, пер. с англ., M., 1972;
  5. Гиббс Дж. В., Термодинамика. Статистическая механика, пер. с англ., M., 1982;
  6. Аптекарь И. Л., Исаева Л. Г., Анализ возможных типов диаграмм состояния двухкомпонентных систем и эволюция под давлением, в сб.: Физика и техника высоких давлений, в. 12, К., 1983.

И. Л. Аптекарь, Д. С. Каменецкая

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 03.12.2019 - 22:04: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Марины Мелиховой - Карим_Хайдаров.
03.12.2019 - 11:12: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Ю.Ю. Болдырева - Карим_Хайдаров.
30.11.2019 - 19:55: ТЕОРЕТИЗИРОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ - Theorizing and Mathematical Design -> ФУТУРОЛОГИЯ - прогнозы на будущее - Карим_Хайдаров.
30.11.2019 - 18:13: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
29.11.2019 - 08:14: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Декларация Академической Свободы - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:31: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> КОМПЬЮТЕРНО-СЕТЕВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:30: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:27: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> ПРОБЛЕМА ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА - Карим_Хайдаров.
23.11.2019 - 12:17: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
19.11.2019 - 09:07: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
18.11.2019 - 19:10: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution