Презентации / ФХОТ Все Презентации
.pdf
Раздел 2.
Управление фазовыми превращениями веществ в технологических процессах.
2.1 Управление фазовыми превращениями веществ
технологические операции, проводимые в вакууме и газовых средах (вакуумное обезгаживание и очистка материалов, термовакуумное испарение, газофазная эпитаксия, легирование п/п из газовой фазы и др.)
управляются по законам испарения или сублимации конденсированных сред, растворения и диффузии газов
в этих средах
плавление |
кристаллизация |
|
|
|
|
|
|
|
испарение |
конденсация |
|
|
|
|
технологические операции (пайка, формирование омических контактов, жидкофазная эпитаксия, кристаллизационные методы выращивания и очистки веществ и др.)
управляются по законам взаимодействия между жидкой и твердой фазами
( диаграммы плавкости)
Фазовые переходы 1 рода
сублимация кристаллизация
Фазовые превращения в однокомпонентных системах
Рассмотрим однокомпонентную систему (К = 1 и Х = 1) . Согласно правилу фаз, такая система имеет число термодинамических степеней свободы С = 3-Ф.
Если Ф=3 то С=0 (Т = const, Р = const) нонвариантные условия
Если Ф=1 то С=2 (Т = var, Р = var) бивариантные условия
Если Ф=2 то С=1 (Т = var, Р = const или Р = var, Т = const) - моновариантные условия
I (T, P) = II (T, P)
P |
кривая |
|
|
плавления |
|
|
|
жидкая |
|
|
фаза |
|
твердая |
К |
|
фаза |
|
|
|
|
|
О |
кривая |
|
испарения |
|
|
|
|
|
|
газовая |
|
кривая |
фаза |
|
|
|
|
сублимации |
|
0 |
Tкр = Tпл |
T |
|
Фазовая диаграмма для чистого вещества |
|
|
i |
= −S |
0 |
0 |
|
|
|
||||
i |
|||||
|
T |
|
|
||
P |
|
|
|||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
P = const |
|
|
μI |
устойчивая |
|
|
Фаза II |
|
|
|
|
|
|
|
устойчивая |
|
|
|
Фаза I |
|
|
|
|
μII |
|
0 |
|
Tфп |
T |
Фаза I - низкотемпературная (Т < Tфп), |
|
||
а фаза II – высокотемпературная (Т > Tфп) |
|||
Результирующий температурный ход химического потенциала описывается кривой, которая имеет излом в точке фазового перехода Tфп и неравенством:
|
I |
|
|
II |
|
|
T |
|
|
|
T |
|
|
|
S |
I |
S |
II |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
P |
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Фазовый переход, возникающий при повышении температуры, всегда сопровождается скачкообразным увеличением мольной энтропии
G = 0
|
S I→II = S II − S I 0 |
|
|
|
|
|
||
H I→ II = T S I→ II = T (S II − S I ) 0 |
||
|
фп |
фп |
Изменение энтальпии - скрытая теплота фазового перехода.
оглощение тепла при фазовом переходе не приводит к изменению температуры системы, так как оно расходуется на перестройку структуры вещества при Tфп = const.
H |
|
|
|
|
|
|
твердое тело |
жидкость |
|
|
газ (пар) |
|
|
|
|
|
∆Hисп |
|
|
∆Hпл |
|
|
|
0 |
T |
T |
T |
кип |
T |
|
пл |
кр |
|
|
S |
твердое тело |
жидкость |
|
газ (пар) |
|
|
|||
|
|
|
|
∆Sисп =∆Hисп/Ткип |
|
|
∆Sпл =∆Hпл/Тпл |
|
|
0 |
T |
T |
T |
T |
|
пл |
кр |
кип |
|
Аналогично рассмотренному наблюдается излом и на зависимости = f (P) при T = const
в точке фазового перехода:
|
|
I |
|
|
|
|
II |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
I |
V |
II |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
P |
|
P |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
T |
|
|
T |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Следовательно, фазовый переход I → II обязательно сопровождается изменением мольного объема на величину:
V I→II = V II − V I 0
Vисп (субл) = V г – V к > 0
моль воды V = 18 cм3, в то время как при Т = 273 K и Р = 1 атм для идеального газа мольный объем равняется 22,4 литра, т. е. V п >> V ж.
Vпл = V ж – V т > 0.
Плавление большинства твердых тел также происходит с увеличением объема, однако имеются вещества с неплотной упаковкой атомов в твердом состоянии (такие как лед, германий, галлий и др.), объем которых при плавлении уменьшается.