Определение типа фазового перехода раствора полупроводника при переходе из жидкого состояния в парообразное

При уменьшении температуры и увеличении давления вещества испытывают скачкообразные изменения агрегатного состояния, переходя из газообразного состояния в жидкое, а затем из жидкого в твердое. При изменении температуры и давления в противоположном направлении происходит обратный переход: из твердого состояния в жидкое и газообразное. С этими переходами связано поглощение или выделение определенного количества теплоты – скрытой теплоты перехода.

Фазовые переходы с поглощением и выделением теплоты и изменением объема называются переходами первого рода. Помимо этих превращений в природе встречаются переходы, при которых теплота не поглощается и не выделяется и не изменяется объем. Такие переходы проявляются в скачкообразном изменении теплоемкостей и других производных термодинамических параметров. К ним относится изменение симметрии кристаллической решетки, происходящее без изменения плотности и энергии решетки.

Примером фазового перехода второго рода может служить превращение железа, никеля и других металлов и магнитных сплавов из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

С точки зрения термодинамики системой (термодинамической системой) называется любое макроскопическое тело, т. е. тело, состоящее из огромного количества микрочастиц (молекул, атомов и т. п.) и находящееся в равновесном или близком к равновесному состоянии. Термодинамическая система, в свою очередь, может состоять из одной, двух или нескольких фаз. Фазой называется физически однородная часть системы, отличающаяся от других ее частей физическими свойствами и отделенная от них четко выраженными границами. Примерами двухфазных систем могут служить жидкость и ее насыщенный пар, жидкость и кристалл, находящиеся в соприкосновении друг с другом.

Метод определения линии равновесия «жидкость – пар» в TV-плоскости по исчезновению мениска поясняет рис. 1.

Имеется набор герметичных ампул с исследуемым веществом. Количества вещества в ампулах различные, однако, во всех случаях средний удельный объем v i = V i /M i (M i – масса вещества в i-й ампуле, V i – объем i-й ампулы) таков, что при начальной температуре опыта вещество находится в двухфазном состоянии: в ампуле находятся в равновесии жидкость и ее насыщенный пар, отделенные друг от друга резкой видимой границей, называемой мениском.

При нагреве, как видно на рис. 1 и исходя правила рычага, количество жидкой фазы в ампулах, где средний удельный объем меньше критического удельного объема, будет увеличиваться (мениск будет двигаться вверх). В тех ампулах, где средний удельный объем больше критического, будет увеличиваться количество газообразной фазы (мениск будет двигаться вниз). Удельный объем v i (заранее заданный) и температура, при которой мениск достигнет верха или низа i-й ампулы, т. е. вещество перейдет в однофазное (жидкое или газообразное) состояние, определяют, очевидно, координаты одной точки (v i , T i ) на линии фазового равновесия в TV-плоскости. Если нанести эти точки на TV-диаграмму и провести через них аппроксимирующую кривую, то мы восстановим линию равновесия «жидкость – пар». По координатам купола кривой определяются критическая температура и критический удельный объем.

Экспериментальная установка для определения кривой равновесия «жидкость – пар» методом исчезновения мениска изображена на рис. 9. Установка состоит из сосуда, помещенного в защитный кожух с прозрачными стенками, в котором подвешены ампулы с исследуемым веществом (Фреон-13). В сосуд подается из термостата вода определенной температуры. Температура воды меняется от комнатной до 29,5 oC. При достижении температуры 29,5 oC нагреватель термостата автоматически отключается.

J—I►

Рис. 1. Определение кривой равновесия «жидкость – пар» в Tv-плоскости методом

Рис. 9. Схема установки

Для определения кривой равновесия «жидкость – пар» методом исчезновения мениска, провели нагрев ампул от комнатной температуры до 29,5 oС. Нагрев в диапазоне температур 27,5 oС – 29,5 oС проводили со скоростью не выше 0,1 К/мин. Для этой цели нагреватель термостата должен быть включен на минимальную мощность, при необходимости скорость нагрева может быть дополнительно замедлена путем подачи воды из водопровода (с небольшим расходом) в систему охлаждения термостата. В процессе нагрева зафиксировали, в какую сторону перемещается мениск в каждой из ампул. Обратить внимание, не происходит ли в некоторых ампулах размытия мениска и помутнения вещества (критическая опалесценция!). Определили температуры исчезновения менисков. Измерили скорость нагрева.

После выключения нагревателя термостата в процессе остывания зафиксировали температуры, при которых появляются мениски в ампулах. Скорость остывания также не должна превышать 0,1 К/мин. (она регулируется изменением расхода водопроводной воды в системе охлаждения термостата). Измерили скорость охлаждения.

В результате измерений были получены данные, представленные в таблице 1 .

Поданным таблицы 1 построили TV-диаграмму (рисунок ). Провели через них аппроксимирующие кривые (линия равновесия «жидкость – пар») отдельно для нагрева и охлаждения. Определили координаты критической точки (V С и T С ).