Оглавление.
1. Введение……………………………………………………………..2
2. Фазовые переходы первого и второгорода………………………..4
3. Идеальный газ……………………………………………………….7
4. Реальный газ………………………………………………………....8
5. Молекулярно – кинетическая теориякритических явлений….….9
6. Сверхтекучесть……………………………………………………..11
7. Сверхпроводимость………………………………………………..13
7.1 Открытие сверхпроводимости………………….…...13
7.2 Электрон –фононное взаимодействие……………..14
7.3 Сверхпроводникипервого и второго рода………...16
7.4 Рецептизготовления сверхпроводника…………….17
7.5 Техникабезопасности……………………………….18
7.6 Эффект Майснера……………………………………20
8. Заключение………………………….……………………….22
9. Список литературы………………………………………….25
1. Введение.
Фазами называютоднородные различные части физико-химических систем. Однородным являетсявещество, когда все параметры состояния вещества одинаковы во всех его объемах,размеры которых велики по сравнению с межатомными состояниями. Смеси различныхгазов всегда составляют одну фазу, если во всем объеме они находятся водинаковых концентрациях.
Одно и то же вещество взависимости от внешних условий может быть в одном из трех агрегатных состояний– жидком, твердом или газообразном. В зависимости от внешних условий можетнаходиться в одной фазе, либо сразу в нескольких фазах. В окружающей насприроде мы особенно часто наблюдаем фазовые переходы воды. Например: испарение,конденсация. Существуют такие условия давления и температуры, при которыхвещество находится в равновесии в различных фазах. Например, при сжижении газав состоянии равновесия фаз объем, может быть каким угодно, а температураперехода связана с давлением насыщенного пара. Температуры, при которыхпроисходят переходы из одной фазы в другую, называются температурами перехода.Они зависят от давления, хотя и в различной степени: температура плавления –слабее, температура парообразования и сублимации – сильнее. При нормальном ипостоянном давлении переход происходит при определенном значении температуры, издесь имеют место точки плавления, кипения и сублимации (или возгонки.). Сублимация- это переход вещества из твердого состояния в газообразное можно наблюдать,например, в оболочках кометных хвостов. Когда комета находится далеко отсолнца, почти вся ее масса сосредоточена в ее ядре, имеющем размеры 10-12километров. Ядро, окруженное небольшой оболочкой газа – это так называемаяголова кометы. При приближении к Солнцу ядро и оболочки кометы начинаютнагреваться, вероятность сублимации растет, а десублимации – уменьшается.Вырывающиеся из ядра кометы газы увлекают за собой и твердые частицы, головакометы увеличивается в объеме и становится газопылевой по составу.
2. Фазовыепереходы первого и второго рода.
Фазовые переходы бываютнескольких родов. Изменения агрегатных состояний вещества называют фазовымипереходами первого рода, если:
1)Температура постояннаво время всего перехода.
2)Меняется объем системы.
3) Меняется энтропиясистемы.
Чтобы произошел такойфазовый переход, нужно данной массе вещества пообшить определенное количествотепла, соответствующего скрытой теплоте превращения. В самом деле, при переходеконденсированной фазы в фазу с меньшей плотностью нужно сообщить некотороеколичество энергии в форме теплоты, которое пойдет на разрушениекристаллической решетки (при плавлении) или на удаление молекул жидкости другоб друга (при парообразовании). Во время преобразования скрытая теплота пойдетна преобразование сил сцепления, интенсивность теплового движения неизменится, в результате температура останется постоянной. При таком переходестепень беспорядка, следовательно, и энтропия, возрастает. Если процесс идет вобратном направлении, то скрытая теплота выделяется. К фазовым переходампервого рода относятся: превращение твердого тела в жидкое (плавления) иобратный процесс (кристаллизация), жидкого — в пар (испарение, кипение). Однойкристаллической модификации — в другую (полиморфные превращения). К фазовымпереходам второго рода относится: переход нормального проводника всверхпроводящее состояние, гелий-1 в сверхтекучий гелий-2, ферромагнетика – впарамагнетик. Такие металлы, как железо, кобальт, никель и гадолиний,выделяются своей способностью сильно намагничиваются и долго сохранятьсостояние намагниченности. Их называют ферромагнетиками. Большинство металлов(щелочные и щелочноземельные металлы и значительная часть переходных металлов)слабо намагничиваются и не сохраняют это состояние вне магнитного поля – этопарамагнетики. Фазовые переходы второго, третьего и так далее родов связаны спорядком тех производных термодинамического потенциала ∂ф, которыеиспытывают конечные измерения в точке перехода, Такая классификация фазовыхпревращений связана с работами физика — теоретика Пауля Эрнеста (1880 -1933).Так, в случае фазового перехода второго рода в точке перехода испытываютскачки производные второго порядка: теплоемкость при постоянном давлении Cp=-T(∂ф2/∂T2), сжимаемость β=-(1/V0)(∂2ф/∂p2), коэффициент теплового расширения α=(1/V0)(∂2ф/∂Tp),тогда как первые производные остаются непрерывными. Это означает отсутствиевыделения (поглощения) тепла и изменения удельного объема (ф — термодинамический потенциал).
Состояние фазовогоравновесия характеризуется определенной связью между температурой фазовогопревращения и давлением. Численно эта зависимость для фазовых переходов даётсяуравнением Клапейрона-Клаузиуса: Dp/DT=q/TDV. Исследования при низкихтемпературах – очень важный раздел физики. Дело в том, что таким образом можноизбавиться от помех связанных с хаотическим тепловым движением и изучатьявления в “чистом” виде. Особенно важно это при исследовании квантовыхзакономерностей. Обычно из-за хаотического теплового движения происходитусреднение физической величины по большому числу её различных значений иквантовые скачки “смазываются”.
Низкие температуры(криогенные температуры), в физике и криогенной технике диапазон температурниже 120°К (0°с=273°К); работы Карно (работал над тепловым двигателем) иКлаузиуса положили начало исследованиям свойств газов и паров, или техническойтермодинамике. В 1850 году Клаузиус заметил, что насыщенный водяной пар прирасширении частично конденсируется, а при сжатии переходит в перегретоесостояние. Особый вклад в развитие этой научной дисциплины внес Реню.Собственный объем молекул газа при комнатной температуре составляет примерноодну тысячную объема, занимаемого газом. Кроме того, молекулы притягиваютсядруг к другу на расстояниях, превышающих те, с которых начинается ихотталкивание.
3. Идеальныйгаз.
Идеальный газ,идеализированная модель газа; в идеальном газе силы взаимодействия междучастицами (атомами, молекулами) пренебрежимо малы. К идеальным газам близкиразряженные реальные газы при температурах, далеких от температуры иконденсации. Зависимость давления идеального газа от его температуры иплотности выражается уравнения Клапейрона, (Клаперона-Менделеева уравнение),найденная Б.П. Э. Клапейроном (1834) зависимость между физическими величинами,определяющими состояние идеального газа (давлением р, объемом V, и абсолютной температурой Т): PV=BT, где коэффициент В зависит от массы газов М и его молекулярноймассы. Для одного моля идеального газа pV=RT, где R-газовая постоянная. Если молярнаямасса газа μ, то pV=M/μ *RT.
4. Реальныйгаз.
Реальныйгаз, отличается от идеального газа существованием взаимодействия между егочастицами (молекулами, атомами). При малых плотностях наличие межмолекулярноговзаимодействия учитывается вириальным уравнением состояния реального газа: pV=RT[1+B (T)/υ+C(T)/υ2+…],где р — давление, υ – молярный объем, Т – абсолютная температура, R – газовая постоянная, В(Т), С(Т) итак далее – вириальные коэффициенты, зависящие от температуры и характеризующиепарные, тройные и так далее взаимодействия частиц в газе. Существуют и другиеполуэмпирические и теоретические уравнения состояния реальных газов, например:уравнение Ван дер Ваальса (нидерландского физика), предложенное Ван дер Вальсом(1873г) уравнение состояния реального газа, учитывающее конечность объемамолекул и наличие межмолекулярных сил притяжения; для одного моля газа имеетвид: (р+а/V2) (v-b)=RT, где р – давление, V – объем одного моля, T –абсолютная температура, R –универсальная газовая постоянная, a и b постоянные, характеризующиевзаимодействие молекул данного вещества. Третье начало термодинамики: по мере приближениятемпературы к 0K. Энтропия всякойравновесной системе при изотермических процессах перестает зависеть от каких-либотермодинамических параметров состояния и в пределе (T=0K) принимает однуи туже для всех систем постоянную величину, которую можно принять равной нулю.Третье начало предсказывает вырождение идеальных азов при низкой температуре.Как показало развитие квантовой статистики, такое вырождение действительноимеет место. Оно указывает на недостаточность классической механики и основаннойна ней классической статистики в области низких температур. Квантоваястатистика показывает, что третье начало термодинамики являетсямикроскопическим проявлением квантовых свойств реальных систем при низкихтемпературах. Свойства реальных систем изучались экспериментально.
5. Молекулярно– кинетическая теория критических явлений.
Вскоре после открытиязакона Бойля – Мариотта (произведение объема данной массы идеального газа наего давление постоянно при постоянной температуре; установлен независимо Р.Бойлем (1660г) и Э. Мариоттом (1676г)) были обнаружены отклонения от него:нидерландский физик Мартин Ван Марум установил, что при давлении 7 атмосфергазообразный аммиак переходит в жидкое состояние; примерно тогда же Лавуазьеотметил роль охлаждения в изменении состояния газов. В середине прошлого векапоявились попытки учесть эти отклонения количественно, чтобы ввести поправки,но все они были случайными и не связывались с критическими состояниями газов.Ван-дер-Ваальс показал глубинную связь между жидким и газообразным состояниямивещества, объяснил их непрерывный переход друг в друга и развилмолекулярно-кинетическую теорию критических явлений. Его теория позволилапредсказать существование неустойчивых состояний вещества. После созданияГиббсом статистической механики наглядная теория Ван-дер-Ваальса была переведенана строгий математический язык. Гиббс дал развернутое изложение методатермодинамических потенциалов и его применение к анализу равновесия. С позициисвоего метода он единым образом исследовал законы образования новой фазы, далзнаменитое правило фаз (в термодинамике: число равновесно сосуществующих вкакой либо системе фаз не может быть больше числа образующих эти фазыкомпонентов плюс, как правило, 2). Установлено Дж. У. Гиббсом в 1873-1876гг,рассмотрел поверхностные и электрохимические явления, многокомпонентные системыи тому подобные. Развивая метод Гиббса, Дюгем в своих работах ввел термин«термодинамический потенциал». Гиббс пришел к идее введения таких функций послеисследования поведения функции (Е-ТS+pV), когда заметил, что условиеустойчивого равновесия сводится к равенству б(Е-ТS+рV)=0.Экстремальные значения этой функции оказались необходимыми и достаточнымиусловиями равновесия систем при изобарно — изотермических процессах. Впоследствии эту функцию назвали изобарно – изотермическим потенциалом, илипотенциалом Гиббса. Затем Гиббс установил, что термодинамические свойствасистемы можно описать еще тремя функциями, обладающими свойствами потенциалов –внутренней энергией (диабатический потенциал) и тепловой функцией (энтальпия).В химической термодинамике важен и химический потенциал, введенный Гиббсом.
С точки зрениястатистической механики вывод уравнения состояния сводится к нахождению новойфункции состояния свободной энергии F=E-TS как функции параметров p,T,V. Тогда уравнение состояния находитсякак p=-I∂I±I∂VIT. Нужно было найти свободную энергию системы,вычислив соответствующий интервал, что было непростой задачей. Гиббс понимал,что для полного описания системы, даваемого термодинамическими потенциалами,нужно знание молекулярной структуры и характера взаимодействия частиц. Поэтомуон разработал метод нахождения статистических аналогов для изотермического ихимического потенциалов. Метод Гиббса был пригоден для любых систем, номатематические трудности того времени не позволяли уйти от идеализированныхмоделей.
6.Сверхтекучесть.
В 1945 году известныйсоветский математик и физик-теоретик Н. Н. Боголюбов, разработавший болеесовершенный метод решения проблем статистической физики, привел уравнениясостояния реальных газов в виду: p=(NkT/V)(1=NB1(T)/V+N2B2/V2+N3B3/V3+…..), где B –функции температуры, называемые вириальными коэффициентами, которыеопределяются по законам взаимодействия молекул. при низких температурахстановится возможным наблюдать микроскопические квантовые явления –сверхпроводимость и сверхтекучесть. Сверхтекучесть – это свойство квантовыхжидкостей – течь без трения. Впервые обнаружено в 1938 году советским ученымП.Л.Капицей в жидком гелии. При температурах ниже 2,17 К вязкость гелияобращается в ноль, и он свободно протекает через очень узкие капилляры.Теоретическое объяснение явления сверхтекучести было дано в 1941 году советскимученым Л.Д.Ландау (Ландау Лев Давидович (1908 — 1968), российский физик-теоретик, основатель научной школы, академик АН СССР(1946), Герой Социалистического Труда (1954)). Труды во многих областях физики:магнетизм; сверхтекучесть и сверхпроводимость; физика твердого тела, атомногоядра и элементарных частиц, физика плазмы; квантовая электродинамика;астрофизика и др.
Авторклассического курса теоретической физики (совместно с Е. М. Лифшицем).Ленинская премия (1962), Государственная премия СССР (1946, 1949, 1953),Нобелевская премия (1962). По теории Ландау, необычность гелия состоит в следующем: жидкий гелийсуществует в двух формах. В области температур от 4,2 до 2,18 К (так называемаяl- точка) он ведёт себя какклассическая жидкость – это гелий. Ниже l- точки он состоит, как бы из двух жидкостей одна ведёт себякак гелий-1, другая проявляет свойства сверхтекучести – проводит тепло безпотерь, то есть. Её теплопроводность равна бесконечности. Не оказываетсопротивления течению, или имеет нулевую вязкость, — это гелий-2. В l- точке происходит фазовый переходмежду состояниями гелия. Относительное количество каждой из компонент гелиязависит от температуры, причем его можно определить измерением силы,действующей на предмет, движущийся в жидкости. Опыты показывают, что притемпературе ниже 1К практически весь гелий, находящийся в сверхтекучемсостоянии. Атомы жидкого гелия образуют единую квантовую систему, энергию иимпульс которой можно изменить только сразу на конечную величину, скачком.Поэтому до определенной скорости жидкий гелий течёт без трения, не замечаяпрепятствий, — обладает свойством сверхтекучести. Сверхтекучесть являетсяколлективным эффектом. Атомы гелия имеют целый (нулевой) спин и поэтомускапливаются в одинаковых состояниях. В результате квантовые свойства каждойчастицы усиливаются. Спин. Элементарные частицы – это маленькие вращающиесяволчки. Они характеризуются моментом количества движения, или, кратко, угловыммоментом. Согласно квантовой механике, угловой момент системы может приниматьне любые значения: его скачки равняются постоянной Планке ħ (1,054*10-34*Дж*с),угловой момент элементарных частиц естественно измерять в единицах Планке.Момент, измеренный в таких единицах, называется спином. Спин гелия-4 атомагелия равен нулю, является бозоном, подчиняется статистике Бозе-Энштейна ипоэтому не подчиняется запрету Паули (Согласно принципу Паули: в каждомквантовом состоянии может находиться только один электрон.), а изотоп гелиягелий-3, являющийся фермионом, подчиняется запрету Паули и не дает явлениясверхтекучести. При понижении температуры гелия энергия его атомов,естественно, уменьшается. При какой-то очень низкой температуре все ониокажутся в самом низком энергетическом состоянии, поскольку запрет Паули дляних не применим. И будут иметь одинаковые волновые функции. Атомы сверхтекучегогелия ведут себя согласованно, как единое целое. Беспорядка в этой системе нет,энтропия равна нулю.
7.Сверхпроводимость.
Сверхпроводимость –весьма необычный феномен, отличающийся от всего того, к чему мы привыкли.Буквально это явление из иного мира. Мы живем в классическом мире, асверхпроводимость явление квантовое, но в макроскопических масштабах. Например,волновые функции в квантовой механике вводят искусственно, а всверхпроводимости они выступают естественным образом как измеримые величины.
7.1Открытие сверхпроводимости.свойства сверхпроводников применение Создание магнитного поля Передача электроэнергии Обработка информации Нулевое электрическое сопротивление + + + Большие передаваемые токи + + - Большое магнитное поле + - - Фазовый переход - - + Квантовые эффекты - - +
Сверхпроводимостьнаблюдалась впервые при охлаждении ртути в 1911 году голландским ученым ГейкеКаммерлинг-Оннесом. Исследования в области низких температур, первоначальноимевшие чисто практическую направленность, при температуре 7,2 K сопротивление свинцового проводникавнезапно снизилось в миллионы раз и практически исчезло.
Это странное явлениеполучило название сверхпроводимости. Явление сверхпроводимости можно понять иобосновать только с помощью квантовых представлений. Почти полвека сущностьэтого явления оставалась нерасшифрованной, из-за того, что методы квантовоймеханики еще не в полной мере использовались в физике твердого тела.
В одном из экспериментовв сделанном из чистого свинца кольце был наведен ток в несколько сотен ампер.Через год оказалось, что ток все еще продолжает идти в кольце, и величина егоне изменилась, то есть сопротивление свинца было равно нулю! За открытиесверхпроводимости Камерлинг-Оннес был удостоен лауреата Нобелевской премии.
7.2 Электрон– фононное взаимодействие.
Явление сверхпроводимостии сверхтекучести представляют собой макроскопический квантовый эффект. БратьяФриц и Гейнц Лондон создали феноменологическую теорию сверхпроводимости. В 1950году английский физик Герберт Фрелих разработал теорию сверхпроводимости,связав ее с электрон-фононным взаимодействием, поскольку электронывзаимодействовали через упругие колебания кристаллической решетки (которым исопоставлялись квазичастицы — фононы). Рассмотрим подробнее механизмвозникновения электронных пар, связанных силами притяжения, которые чащеназывают куперовскими парам.
/>При движенииэлектрона в сверхпроводнике при Т