Фазовые переходы первого рода

Наиболее распространённые примеры фазовых переходов первого рода:

• — плавление и отвердевание.
• — кипение и конденсация.
• — сублимация и десублимация.

Плавление и затвердевание

Плавление — переход тела из кристаллического твёрдого состояния в жидкое. Плавление происходит с поглощением удельной теплоты плавления и является фазовым переходом первого рода.

При нормальном давлении, наибольшей температурой плавления среди простых веществ (а также среди металлов) обладает вольфрам (3422 °C), а среди произвольных веществ — карбид гафния HfC (3890 °C). Можно считать, что самой низкой температурой плавления обладает гелий: при нормальном давлении он остаётся жидким при сколь угодно низких температурах.

Рисунок 2. График процесса плавления твердого тела.

Как известно из термодинамики, при фиксированной температуре тело стремится минимизировать свободную энергию F = E — TS. При низких температурах второе слагаемое (произведение температуры и энтропии) несущественно, и в результате всё сводится к минимизации обычной энергии E. Состояние с минимальной энергией — это кристаллическое твёрдое тело. При повышении температуры, второе слагаемое становится всё важнее, и при некоторой температуре оказывается выгоднее разорвать некоторые связи. При этом обычная энергия E слегка повысится, но при этом сильно возрастет и энтропия, что в результате приведёт к понижению свободной энергии.

Кристаллизация (затвердевание) — фазовый переход вещества из жидкого состояния в кристаллическое (твердое).

Кристаллизация происходит в результате охлаждения жидкости при определенной температуре. При кристаллизации жидкости происходит резкий скачкообразный переход от неупорядоченного расположения частиц (в жидкости) к упорядоченному (в твердом теле).

При кристаллизации жидкости массой m выделяется количество теплоты.

Q = -лm.

По структуре относительного расположения частиц твердые тела делят на три вида: кристаллические, аморфные и композиты.

В кристаллическом состоянии существует периодичность в расположении атомов (дальний порядок).