Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ CHUYỂN PHA

CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ CHUYỂN PHA

Tải bản đầy đủ - 0trang

P



1

2

0



T

Hình 1. Đồ thị pha



1.2 CÁC LOẠI CHUYỂN PHA

Nghiên cứu chuyển pha có từ khi có nhiệt động lực học nhưng lý thuyết

đầu tiên là của Gibbs. Năm 1933 Erhenfist định nghĩa chuyển pha: Chuyển pha

là bậc n nếu các thế nhiệt động là liên tục ở nhiệt độ chuyển pha TC và đạo hàm

hạng n của nó theo nhiệt độ liên tục tại điểm này còn đạo hàm n + 1 gián đoạn.

Thực tế chi có chuyển pha bậc 1 và bậc 2.

Năm 1937 Landao đưa ra phân loại khác. Chuyển pha thường gắn với sự

thay đổi tính chất đối xứng của hệ biến đổi. Như vậy chuyển pha gắn với tính

chất đối xứng và Landao đưa ra tham số trật tự. Tham số trật tự phải đặc trưng

cho hệ vật lý, khi pha đối xứng chuyển từ pha đối xứng này sang pha đối xứng

khác thì tham số trật tự có giá trị khác.

1.1.2. Chuyển pha loại 1

Sự chuyển pha từ pha này sang pha khác có kèm theo sự giải phóng hay

hấp thụ một lượng nhiệt nào đó gọi là chuyển pha loại 1. Lượng nhiệt đó được

gọi là ẩn nhiệt chuyển pha hay nhiệt chuyển pha. Theo các điều kiện cân bằng

thì chuyển pha loại 1 xảy ra ở nhiệt độ và áp suất không đổi. Do đó ta tính được

nhiệt chuyển pha q ứng với một phần tử là:



Nông Thị Hương



K32c -Vật Lý

4



Nông Thị Hương



K32c -Vật Lý

5



q=



2  1 hoặc q = T. ( S2 – S1).



(1.2)



Trong đó q là nhiệt chuyển pha



1 ,  2



là các hàm nhiệt của 2 pha tính cho một phân tử.



S1, S2 là entrôpi của 2 pha ứng với một phần tử.

q>0 chuyển từ pha thứ nhất sang pha thứ hai nhiệt bị hấp thụ.

q<0 chuyển từ pha thứ nhất sang pha thứ hai nhiệt được giải phóng.

1.2.2. Chuyển pha loại 2

Đây là sự chuyển pha có liên quan đến sự thay đổi đối xứng, sự chuyển

một dạng biến thể kết tinh này sang dạng khác thực hiện một cách liên tục mà

khơng có sự thay đổi nhảy bậc của các trạng thái vật gọi là sự chuyển pha loại 2.

Cùng với những trường hợp mà trong đó sự thay đổi đối xứng của vật thực hiện

bằng cách di chuyển các nguyên tử, sự thay đổi đối xứng khi có chuyển pha loại

hai còn liên quan tới sự thay đổi trật tự của tinh thể. Và ta đi đến kết luận như

sau: Nếu khi nhiệt độ tăng mà tham số  dần đến 0 một cách liên tục không

nhảy bậc ta sẽ có chuyển pha loại 2.

Từ những khái niệm về chuyển pha loại 2 ở trên ta thấy rằng:

Với ý nghĩa là trạng thái của vật thay đổi một cách liên tục sự chuyển pha

loại 2 là quá trình chuyển liên tục. Đối xứng tại điểm chuyển pha sẽ thay đổi

nhảy bậc và tại từng điểm có thể chỉ rõ vật thuộc pha nào nhưng tại điểm

chuyển pha loại 2 thì trạng thái của hai pha trùng nhau.

Do trạng thái của 2 pha tại điểm chuyển pha loại 2 trùng nhau nên đối

xứng của vật tại chính điểm chuyển pha trong mọi trường hợp phải chứa các

yếu tố đối xứng của cả hai pha.

Từ điều kiện khơng có nhảy bậc trạng thái tại điểm pha loại 2 dẫn đến kết

quả: Các hàm trạng thái nhiệt động của vật (S, E, V…) vẫn giữ liên tục khi đi

qua điểm chuyển pha nên chuyển pha loại 2 không kèm theo việc toả nhiệt hay



hấp thụ nhiệt. Nhưng đạo hàm của các đại lượng nhiệt động đó (c, a, b) sẽ thay

đổi nhảy bậc tại điểm chuyển pha loại 2.

1.3. Pha phản sắt từ trong vật rắn

1.3.1. Sơ lược về tính chất từ của vật rắn

Khi đặt vật rắn vào trong một từ trường ngồi có cường độ H ( hoặc cảm





ứng từ 



với 0  4 10



7



H / m ), trong vật sẽ xuất hiện một mômen





B  0 H

từ. Ta nói vật bị từ hố. Mơmen từ trung bình M trong một đơn vị thể tích của

vật được gọi là độ từ hoá hoặc từ độ. Tỷ số giữa độ từ hoá và cường độ từ

trường được gọi là độ cảm từ hay hệ số từ hoá



M

M

     

0

H

B

Các chất có độ cảm từ âm (   0 ) được gọi là chất nghịch từ. Thông

-5



thường ở các chất nghịch từ, độ lớn của  chỉ vào cỡ 10 hoặc nhỏ hơn và

không phụ thuộc vào cường độ trường ngoài cũng như nhiệt độ.

Các chất có độ cảm từ dương (   0 ) được gọi là chất thuận từ. Ở các

-3



-5



chất thuận từ  cũng rất nhỏ, vào cỡ 10  10 , nhưng khác với các chất

nghịch từ,  của chất thuận từ phụ thuộc vào nhiệt độ, Curie là người đầu tiên

nghiên cứu sự phụ thuộc này đã chỉ ra rằng





C



.



T



Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối, C là hằng số phụ thuộc bản chất của chất

thuận từ và được gọi là hằng số Curie.

Các chất có độ cảm ứng từ dương và có giá trị rất lớn so với độ cảm từ

của các chất thuận từ được gọi là chất sắt từ. Khi đốt nóng chất sắt từ, tính chất

từ của chúng giảm đi. Đối với mỗi chất sắt từ có một nhiệt độ mà tại đó tính sắt



từ của chúng biến mất. Nhiệt độ đó gọi là điểm Curie của chất sắt từ. Ở những

nhiệt độ cao hơn nhiệt độ Curie, chất sắt từ biến thành chất thuận từ.



Ngồi ra còn có chất phản sắt từ, chất feri từ (ferit), đối với các chất này

sự phụ thuộc của 1  vào nhiệt độ T không phải là tuyến tính, mà có các điểm

đặc biệt.

Các tính chất từ của vật rắn về cơ bản được quyết định bởi mômen spin

của các electron ở các lớp vỏ chứa đầy mônen từ các electron ở lớp ngoài s.

Tương tác trao đổi giữa các electron ở các lớp vỏ chứa đầy có thể làm cho các

spin định hướng song song với nhau, nhưng trong một số chất tương tác trao đổi

lại làm cho các spin định hướng đối song với nhau, các chất đó gọi là các chất

phản sắt từ.

Cả chất thuận từ và chất phản sắt từ đều là 2 pha của vật rắn mà có có sự

chuyển pha lẫn nhau.



I



II



B

A



Hình 1. Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ, gồm 2 phân mạng spin đối

song và bằng nhau.



1.3.2. Chất thuận từ

Các chất thuận từ là các chất có độ cảm từ  dương, nghĩa là hướng của

mômen từ song song với từ trường ngoài. Hiện tượng thuận từ thường tìm thấy

ở những chất sau đây:

Các nguyên tử, phân tử hoặc các sai hỏng mạng có số lẻ electron, do đó

spin tổng cộng của hệ sẽ khác khơng. Thí dụ: Các nguyên tử của nhóm I, III, V

và VII trong bảng tuần hồn, oxit nitơ dạng khí ( NO), các gốc tự do hữu cơ như

C ( C6H5)3, tâm F trong các halogenua kiềm.

Các nguyên tử hoặc ion tự do với lớp vỏ electron bên trong chưa đầy như

các nguyên tố chuyển tiếp, các ion đẳng electron với các nguyên tố chuyển tiếp,

các kim loại đất hiếm. Nhiều ion loại này thể hiện tính thuận từ ngay cả khi

tham gia vào các liên kết trong vật rắn.

Một số hợp chất với số chẵn electron như: Phân tử oxy, các gốc kép hữu cơ.

Các kim loại: Các electron trong kim loại được coi như các phân tử khí tự

do. Chúng có xu hướng tạo cặp, nhưng luôn luôn tồn tại một số electron khơng

tạo cặp, do đó có thể gây ra hiện tượng thuận từ.

1.3.2.1. Lý thuyết cổ điển Langevin về hiện tượng thuận từ

Langevin (1905) giả thiết rằng ngay cả khi khơng có từ trường ngồi, các

ngun tử của chất thuận từ đã có mơmen từ khác khơng 







dưới dạng các



lưỡng cực từ không đổi và tương tác giữa chúng khơng đáng kể. Trong từ





trường ngồi có vectơ cảm ứng từ B được đặt dọc theo trục Oz, năng lượng





là:

tương tác giữa mômen từ  với từ trường

B



U = .B    B cos    z B ,

ở đây  z là hình chiếu của mơmen trên trục Oz.

mơmen từ tổng của vật là tổng các hình chiếu của mômen từ của tất cả các

nguyên tử trên phương từ trường.

Nếu gọi giá trị trung bình của hính chiếu của mômen từ nguyên tử trên

phương từ trường là:



<  2> =   cos 

Và N là số ngun tử trong một đơn vị thể tích, thì độ từ hố trung bình M sẽ là:

M = N   cos  ,



e



< cos >



Với

=



(*)



U / kBT



e



cos d



U / kBT



.



d



Tích phân được lấy theo tồn bộ góc khối





< cos > =







0



2 sin cose















Bcos /kBT



d





0



Bcos /kBT



2 sine



.



d



Sau khi đổi biến số tích phân:

S  cos và x   B / k T , ta tính được:

B

< cos > =



1

1

ex  e x   cthx   L(x) .

x

x

e e

x

x



(**)



Trong đó L(x) được gọi là hàm Langevin.

Thay (**) vào (*) ta được độ từ hoá bằng:

M  N  L(x).

Trong điều kiện x<<1, nghĩa là khi  B  k BT

có gần đúng cthx 



1

x







x

3



nên:

x

L(x)    B

.

3 3kBT



Khi đó độ từ hố bằng

2



N B C

M

 B.

3kBT

T

Hằng số C được gọi là hằng số Curie

C

Độ cảm từ



N

3kB



2



.



(từ trường nhỏ, nhiệt độ cao), ta



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ CHUYỂN PHA

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×