Consideratii termodinamice asupra tranzitiilor de faza

Consideratii termodinamice asupra tranzitiilor de faza

Starea de echilibru a unei substante este descrisa de diferiti parametrii termodinamici. Aceasta stare de echilibru corespunde fie unei singure stari omogene fie la doua sau mai multe stari omogene aflate in contact [1,2]. Starile respective corespund unor faze distincte ale substantei/materiei. Ea poate fi caracterizata prin diferiti parametrii termodinamici. Ei definesc conditiile in care doua faze sunt in echilibru.

Conditia de baza pentru obtinerea echilibrului intre doua faze este aceea ca temperaturile celor doua faze sa fie egale. Deci:

T(1) = T(2) , (IV.42)

unde T(i), cu i = 1,2, sunt temperaturile in cele doua faze. Egalitatea temperaturilor evita existenta unor gradienti si asigura omogenitatea substantei.

O alta conditie este legata de necesitatea exercitarii unor forte egale si de sensuri contrare pe suprafata de contact dintre cele doua faze. Aceasta conditie impune ‑ in ambele faze ‑ egalitatea presiunilor:

P(1) = P(2) , (IV.43)

cu P(i), i = 1,2, presiunile in cele doua faze.

Pentru obtinerea omogenitatii celor doua faze aflate in echilibru este necesara asigurarea egaltatii potentialelor chimice corespunzatoare, anume:

m m . (IV.44)

Cele trei marimi termodinamice considerate se pot exprima unul in functie de celelate, ceea ce indica faptul ca echilibrul fazelor nu poate avea loc pentru valori arbitrare ale celor trei marimi considerate. De exemplu, daca potentialul chimic se exprima in functie de temperatura si presiune, anume:

m (P,T) = m (P,T) , (IV.45)

cunoasterea temperaturii de echilibru, T, implica determinarea completa a presiunii de echilibru, P. Reprezentarea grafica a uneia din aceste marimi in functie de cealalta ‑ de exemplu, temperatura in functie de presiune - permite obtinerea curbei de echilibru a fazelor (diagramei de faza).   Punctele care se afla de o parte si de alta a curbei de echilibru reprezinta starile omogene, iar punctele de pe curba de echilibru indica valorile parametrilor termodinamici pentru care este posibil echilibrul.

Este de remarcat faptul ca folosirea altor marimi termodinamice in diagrama de faza ‑ de exemplu, temperatura si volum ‑ poate conduce la ocuparea unor parti din plan de catre starile in care cele doua faze coexita. In cazul marimilor considerate, temperatura si volum, aceasta comportare este determinata de faptul ca volumele corespunzatoare celor doua faze sunt diferite.

Din punct de vedere termodinamic nu sunt permise mai mult de trei faze in echilibru. In acest caz conditiile de echilibru se scriu astfel:

T(1) = T(2) = T(3) , (IV.46)

P(1) = P(2) = P(3) , (IV.47)

m m m(3) . (IV.48)

Pe baza relatiei (IV.45) se poate scrie urmatoarea relatie pentru echilibrul celor trei faze:

m (T,P) = m (T,P) = m (T,P) . (IV.49)

Se obtin astfel valori bine determinate ale temperaturii si presiunii. Ele determina pe diagrama de faza asa‑numitul punct triplu. Punctul triplu reprezinta starea in care coexista simultan cele trei faze si se afla la intersectia curbelor de echilibru dintre perechile de faze implicate, anume: (1,2), (1,3) si (2,3).

Tranzitia de faza reprezinta trecerea dintr‑o faza in alta si are loc cu emisie sau absorbtie de energie. In functie de conditii pot avea loc diferite tipuri de tranzitii de faza.

O problema de interes este cea a punctului critic. Prin punct critic se intelege punctul in care se termina curba de echilibru intr‑o diagrama de faza. El da valorile critice pentru cele doua marimi folosite pentru obtinerea diagramei de faza. Cele mai des folosite marimi sunt temperatura si presiunea, iar valorile corespunzatoare dau temperatura si densitatea critica.

Este important de subliniat faptul ca pentru valori mai mari decat cele critice nu mai exista faze diferite, iar in punctul critic este posibil sa aiba loc o trecere continua si, astfel, nu se mai produce separarea dintre cele doua faze. De aceea, este posibila ocolirea punctului critic fara trecerea peste curba de echilibru. Totodata, pentru punctul critic nu se mai pot identifica starile specifice fiecarei faze.

În ceea ce priveste tranzitiile de faza este de remarcat existenta a doua tipuri de tranzitii de faza, si anume:

(i) tranzitii de faza de speta I - ele sunt tranzitii in care fazele pot coexista la echilibru in punctul de tranzitie (critic); de asemenea, exista diferente cantitative intre faze;

(ii) tranzitii de faza de speta a II‑a - aceste tranzitii se caracterizeza prin absenta punctului critic, ceea ce implica faptul ca in acest caz curba de echilibru merge la infinit sau se termina la intersectia cu curba de echilibru a altei faze.

În cautarea unor tranzitii de faza in materia nucleara aflata in diferite conditii de temperatura si presiune trebuie sa se aiba in vedere aceste consideratii termodinamice, iar analiza rezultatelor experimentale trebuie sa conduca la valorile critice specifice, precum si la stabilirea spetei/tipului tranzitiei de faza in functie de ecuatiile de stare implicate. De aceea, in cele ce urmeaza se vor considera cateva tranzitii de faza specifice materiei nucleare in functie de doua marimi fizice importante, anume: temperatura nucleara si densitatea nucleara.