ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С СИММЕТРИЕЙ C3V
В рамках теории фазовых превращений второго рода прогнозируется существование на фазовых диаграммах особых «N-фазных точек» (в терминах классической термодинамики являющихся мультикритическими), в которых соприкасаются N > 3 фаз. Впервые двумерные фазовые диаграммы с такими точками были приведены Ландау [1, 2]. Эти результаты были позже воспроизведены при анализе различных типов термодинамических потенциалов [3-6].
Фазовые переходы второго рода выделяют в пределах одной фазы области, отличающиеся своими симметрийно-структурными хаpaктеристиками, но описываемые одним фундаментальным уравнением фазы. Для различения областей одной и той же фазы с различной симметрией вводится параметр порядка (в общем случае многокомпонентный), обладающий определёнными трaнcформационными (симметрийными) свойствами. Моделирование фазовых состояний, различающихся своими симметрийными свойствами, проводят с помощью феноменологического потенциала Ландау.
При нарушении строго определённых соотношений между коэффициентами модельного термодинамического потенциала Ландау мультикритические точки распадаются с образованием обычных, изучаемых классической термодинамикой, фазовых диаграмм. Поэтому мы полагаем, что диаграммы Ландау являются своеобразными метадиаграммами - «материнскими» диаграммами, - из которых проистекает все многообразие фазовых, «дочерних», диаграмм. Впервые явление распада мультикритической точки было отмечено при изучении термодинамического потенциала, инвариантного относительно группы преобразований 3m (C3v) [6]. В [7] был разработан и применён, в том числе для потенциала с данной симметрией, метод построения фазовых диаграмм, позволяющий разделять симметрийно-обусловленные особенности и свойства, обусловленные модельными предположениями. Позже были предприняты и другие попытки развития и конкретизации полученных результатов [8].
В данном сообщении мы кратко опишем новые результаты полного анализа распада мультикритической точки для термодинамического потенциала Ф с указанной симметрией, описывающего фазовые превращения в интерметаллидах, пероксидах, шпинелях, гранатах и других классах веществ.
Фазовая диаграмма с мультикритической точкой М (слева) и диаграмма, реализующаяся в случае одного из типов распада (справа). Сплошными жирными линиями обозначены границы устойчивости фаз, пунктиром - линии фазовых переходов первого рода
Ограничим анализ феноменологическим потенциалом Ф шестой степени по компонентам параметра порядка:
где I1 и I2 - инварианты, составленные из двух компонент h1 и h2 параметра порядка:
Возможные типы фаз определяются типами решений системы ( и ) необходимых условий минимума F как функции η1 и η2 [6]:
1. - высокосимметричная, нульпараметрическая фаза (I).
2. - однопараметрические фазы, причём возможны два случая: η1 < 0 (фаза II) и η1 > 0 (фаза III).
3. - двухпараметрическая фаза (IV).
Эти решения, однако, должны удовлетворять также и достаточным условиям минимума F (условиям термодинамической устойчивости). Так, в случае фазы I они сводятся к неравенству α1 > 0. Для существования двухпараметрической фазы (фазы IV) необходимо и достаточно выполнения трёх условий:
Соответственно, на фазовой диаграмме в координатах «a1-b1» имеется три линии, ограничивающие область существования двухпараметрической фазы:
1) прямая I1 = 0;
2) прямая τ = 0;
3) кривая θ = 0 (вообще говоря, не непрерывная).
При β1 = 0 две ветви кривой θ = 0 сходятся в мультикритической точке М с координатами α1 = β1 = 0 (рис. 1 слева) - в этой единственной точке касаются области устойчивости одно-, двух- и нульпараметрической фаз. Однако это возможно только при γ ≥ 0. Если же γ < 0, то при α3 < 0 двухпараметрической фазы не существует, а при α3 > 0 линии θ = 0 не сходятся в мультикритической точке - она распадается, и ветви кривой θ = 0 обрываются на прямой τ = 0. Итак, общими условиями распада мультикритической точки являются неравенства
Можно показать, что координаты точек обрыва даются уравнениями
(1)
где
1. Если , то в соответствии с (1) ордината одной из точек обрыва положительна, фаза IV оказывается устойчивой при α1 > 0 и, следовательно, сосуществует с фазой I. На рис. 1 справа представлена соответствующая фазовая диаграмма со схемой линий. При сильно отрицательных a1 область устойчивости фазы IV с левой стороны ограничивается прямой τ = 0 (при этом переход в эту фазу из однопараметрической - пунктирная линия 1 - будет переходом первого рода), а при положительных и малых по модулю отрицательных значениях a1 - одной из ветвей кривой θ = 0 (здесь аналогичное превращение - пунктирная линия 2 - будет переходом второго рода, т.к. оно не сопровождается скачком инвариантов и величины θ, которая для однопараметрических фаз всегда равна нулю). Таким образом, точка А на схеме, отвечающая в данном случае отрицательному значению α1 в (1), - трикритическая, в ней род фазового перехода меняется с первого на второй. Здесь имеется трёхфазная область, и три линии фазового равновесия сходятся в тройной точке, где потенциалы фаз I, III и IV одинаковы. В зависимости от значений коэффициентов возможно появление ещё одной трёхфазной области - «I + II + IV» - с другой тройной точкой.
2. Если a < b, то оба корня в (1) отрицательны и распад мультикритической точки не сопровождается появлением области «I + IV».
3. Если a < -b, то оба корня положительны, и обе трикритические точки расположены в верхней полуплоскости диаграммы, так что всюду при α1 < 0 превращение из однопараметрической фазы в двухпараметрическую является переходом второго рода.
В случае δ1 = 0 распад мультикритической точки, условия которого принимают вид
всегда сопровождается образованием области сосуществования фаз I и IV и двух трёхфазных областей «I + II + IV» и «I + III + IV». Если 0 < α3 < 1, то на границах этих областей находятся две трикритические, а внутри - две тройные точки, симметрично расположенные относительно оси β1 = 0.
В заключение укажем, что «материнская» диаграмма (рисунок, слева) реализуется в шпинельных твёрдых растворах Fe1-xMnxCr2O4 [9], Fe1+хCr2+хO4 [10], Cu1-хNiхCr2O4 [11-13], а «дочерние» диаграммы - в твёрдых растворах Fe2+Fe3+xCr2-xO4 [14], Fe1+xV2-xO4 [15], MnTi2-xVxO4 [16] и биметаллических системах Sn - Zr [17], Nb - Pd [18].
Дальнейшее развитие излагаемой теории будет связано с теоретическим исследованием распада мультикритических точек фазовых диаграмм, отвечающих термодинамическим феноменологическим потенциалам с параметрами порядка другой симметрии.
Список литературы
- Ландау Л.Д. Собрание трудов. - М.: Наука, 1969. - Т. 1. - C. 234-252.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. - М.: Наука, 1976. - 584 с.
- Гуфан Ю.М. Структурные фазовые переходы. - М.: Наука, 1982. - 304 с.
- Toledano J.-C., Toledano P. The Landau Theory of Phase Transitions. - World Scientific, 1987. - 451 p.
- Изюмов Ю.А., Сыромятников В.Н. Фазовые переходы и симметрия кристаллов. - М.: Наука, 1984. - 248 с.
- Сахненко В.П., Таланов В.М. // Физ. тв. тела. - 1979. - Т. 21,В. 8. - С. 2435-2444.
- Кутьин Е.И. Симметрийно обусловленные особенности фазовых диаграмм при фазовых переходах, описываемых многокомпонентным параметром порядка: дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Ростов-на-Дону: РГУ, 1988. - 150 с.
- Гуфан А.Ю. Феноменологическая теория фазовых переходов с учётом изменения полносимметричной компоненты плотности вероятности распределения заряда: дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Ростов-на-Дону: РГУ, 2005. - 142 с.
- Ohtani S., Watanabe Y., Saito M. et al. // J. Phys.: Condens. Matter. - 2010. - Vol. 22, № 17. - P. 176003.
- Kose K., Iida S. // J. Appl. Phys. - 1984. - Vol. 55, № 6. - P. 2321-2323.
- Kino Y., Miyahara S. // J. Phys. Soc. Japan. - 1966. - Vol. 21. - P. 2732.
- Tovar M., Torabi R., Welker C. et al. // Physica B. - 2006. - Vol. 385-386. - Part 1. - P. 196-198.
- Kataoka M., Kanamori J. // J. Phys. Soc. Jpn. - 1972. - Vol. 32, № 1. - P. 113-134.
- Levinstein H.J., Robbins M., Capio. // Mat. Res. Bull. - 1972. - Vol. 7. - P. 27-34.
- Riedel E., Kahler J., Pfeil N. // Z. Naturforsch. - 1989. - Vol. 44b. - s. 1427-1437.
- Sonehara T., Kato K., Osaka K., Takata M., Katsufuji T. // Phys. Rev. - 2006. - Vol. 74. - P. 104424-1-104424-7.
- Abriata J.P., Bolcich J.C., Arias D. // Bulletin of Alloy Phase Diagrams ASM International. - 1983. - Vol. 4, №. 2.
- Chandrasekharaiah M.S. // Bulletin of Alloy Phase Diagrams ASM International. - 1988. - Vol. 9, №4.
Статья в формате PDF 114 KB...
28 03 2024 9:52:52
Статья в формате PDF 114 KB...
27 03 2024 9:22:34
Статья в формате PDF 104 KB...
26 03 2024 0:41:25
25 03 2024 3:50:15
Статья в формате PDF 250 KB...
24 03 2024 23:25:39
Исследованы особенности взаимосвязи увеличения массы и продольных размеров тела и его частей у здоровых новорожденных (535), детей с задержкой внутриутробного развития (938) и 221 детей с отставанием в росте одной из нижних конечностей. Использованы методы антропометрии детей, ультразвуковое исследование плода и оценка психического развития дошкольников. В этих группах обследуемых выявлены хаpaктерные различия динамики продольных размеров тела, отнесенных к его массе. Показано, что церебральный тип конституции появляется у детей при отсутствии диспластической задержки роста тела. Для успешного психического развития дошкольников благоприятны не максимальные, а средние размеры тела детей. ...
22 03 2024 6:49:20
Приведены данные по распространению элементов платиновой группы (ЭПГ) в офиолитах Салаира, Алтая и Горной Шории. ЭПГ в наибольших концентрациях отмечены в проявлениях хромитов, образующих подиформные залежи, а также в никелевых проявлениях с обильными сульфидами меди, никеля и кобальта. Минералы ЭПГ представлены изоферроплатиной, иридосмином и рутениридосмином. Реже встречаются самородная платина, рутениевый невъянскит и рутениевый сысерскит. В рудных телах также присутствуют в повышенных концентрациях золото и серебро. Состав минеральных фаз платиноидов указывает на близость к восточно-уральскому геолого-промышленному типу, связанному с изверженными породами габбро-клинопироксенит-перидотитовой формации. ...
21 03 2024 11:41:18
Статья в формате PDF 129 KB...
19 03 2024 20:29:49
Статья в формате PDF 113 KB...
18 03 2024 6:53:38
Статья в формате PDF 112 KB...
17 03 2024 4:59:27
Статья в формате PDF 122 KB...
16 03 2024 10:56:20
Статья в формате PDF 109 KB...
13 03 2024 20:29:22
Статья в формате PDF 109 KB...
12 03 2024 23:50:20
11 03 2024 14:23:22
Статья в формате PDF 313 KB...
10 03 2024 0:38:17
Статья в формате PDF 121 KB...
09 03 2024 14:38:35
Статья в формате PDF 113 KB...
08 03 2024 2:15:52
Статья в формате PDF 763 KB...
07 03 2024 18:40:36
Статья в формате PDF 116 KB...
06 03 2024 19:27:49
Статья в формате PDF 125 KB...
05 03 2024 14:34:36
Статья в формате PDF 263 KB...
04 03 2024 13:30:44
Статья в формате PDF 133 KB...
03 03 2024 5:37:12
Статья в формате PDF 106 KB...
02 03 2024 1:57:32
Статья в формате PDF 313 KB...
01 03 2024 11:45:33
Статья в формате PDF 102 KB...
29 02 2024 10:47:26
Рассмотрены особенности проведения интервального тренинга в сравнении с равномерными тренировками. Определены границы применения интервального метода проведения тренировок. Разработан алгоритм проведения занятий с применением интервального метода тренировок. Приведены результаты курса тренировок и использованием интервального тренинга. ...
28 02 2024 5:34:13
Статья в формате PDF 287 KB...
27 02 2024 14:33:23
Статья в формате PDF 147 KB...
25 02 2024 9:48:52
Статья в формате PDF 129 KB...
24 02 2024 14:39:24
Статья в формате PDF 164 KB...
23 02 2024 15:23:11
Статья в формате PDF 127 KB...
22 02 2024 21:20:22
Статья в формате PDF 119 KB...
20 02 2024 8:40:12
Статья в формате PDF 138 KB...
19 02 2024 2:18:18
Статья в формате PDF 91 KB...
18 02 2024 7:55:56
Еще:
Поддержать себя -1 :: Поддержать себя -2 :: Поддержать себя -3 :: Поддержать себя -4 :: Поддержать себя -5 :: Поддержать себя -6 :: Поддержать себя -7 :: Поддержать себя -8 :: Поддержать себя -9 :: Поддержать себя -10 :: Поддержать себя -11 :: Поддержать себя -12 :: Поддержать себя -13 :: Поддержать себя -14 :: Поддержать себя -15 :: Поддержать себя -16 :: Поддержать себя -17 :: Поддержать себя -18 :: Поддержать себя -19 :: Поддержать себя -20 :: Поддержать себя -21 :: Поддержать себя -22 :: Поддержать себя -23 :: Поддержать себя -24 :: Поддержать себя -25 :: Поддержать себя -26 :: Поддержать себя -27 :: Поддержать себя -28 :: Поддержать себя -29 :: Поддержать себя -30 :: Поддержать себя -31 :: Поддержать себя -32 :: Поддержать себя -33 :: Поддержать себя -34 :: Поддержать себя -35 :: Поддержать себя -36 :: Поддержать себя -37 :: Поддержать себя -38 ::