Викладено основи фізики фазових переходів і критичних явищ. Розглянуто теоретичні та експериментальні аспекти цього розділу фізики здебільшого на прикладах фазових переходів рідина - пара та рідина - рідина. Подано оригінальні підходи до висвітлення класичних проблем фізики фазових переходів і критичних явищ. Для студентів фізичних і технічних спеціальностей вищих закладів освіти. ВСТУП…………………………………………………………………………………….3 РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ФАЗОВІ ПЕРЕХОДИ ТА КРИТИЧНІ ЯВИЩА…………………………………………………………………5 1.1. Загальні відомості про фазові переходи……………………………………………5 1.2. Фазові переходи в молекулярних системах. Рівняння Клапейрона-Клаузіуса…..8 1.3. Фазові діаграми однокомпонентної речовини……………………………………14 1.4. Критична точка. Властивості речовини в околі критичної точки……………….19 1.5. Критичні індекси термодинамічних величин. Універсальність критичних явищ………………………………………………………………………….25 1.6. Роль поверхневого натягу при утворення нової фази……………………..…….29 1.7. Аналіз фазового переходу першого роду згідно з рівнянням Ван дер Ваальса……………………………………………………….…………………35 РОЗДІЛ 2. ТЕОРІЇ ФАЗОВИХ ПЕРЕХОДІВ………………………………………….47 2.1. Критичні індекси в теорії Ван дер Ваальса……………………………………….47 2.2. Фазовий перехід у бінарній системі. Теорія Брегга-Вільямса…………………..55 2.3. Обчислення критичних індексів у теорії Брегга-Вільямса……………………….62 2.4. Модель Ізінга……………………………………………………………….………68 2.5. Критичні індекси для моделі Ізінга у теорії середнього поля…………….…….74 2.6. Ґратчаста модель флюїду…………………………………………………………..81 2.7. Флуктуації параметра порядку……………………………………………………83 РОЗДІЛ 3. ФЛУКТУАЦІЙНА ТЕОРІЯ КРИТИЧНИХ ЯВИЩ………………………97 3.1. Парна кореляційна функція флуктуацій параметра порядку……………………97 3.2. Флуктуаційна теорема……………………………………………….……………105 3.3. Теорія Орнштейна-Церніке………………………………………………………..106 3.4. Аналіз теорії Орнштейна-Церніке. Критичні індекси ? та ?……………………114 3.5. Співвідношення між критичними індексами ?, ? та ? Розмірність критичних флуктуацій……………………………………………………120 3.7. Флуктуаційний гамільтоніан Ландау-Пнзбурга…………………………………123 3.8. Гіпотеза масштабної інваріантності (скейлінг)…………..……………….……..130 3.9. РІВНЯННЯ СТАНУ ПОБЛИЗУ КРИТИЧНОЇ ТОЧКИ……..…………………134 3.10. Статистичне обґрунтування гіпотези скейлінгу ……………………………….138 3.11. Застосування гіпотези скейлінгу до парної кореляційної функції локальних флуктуацій параметра порядку……………………………………………142 3.12. Застосування гіпотези скейлінгу до парної кореляційної функції локальних флуктуацій ентропії………………………………………………………..144 3.13. МЕТОД КОЛЕКТИВНИХ ЗМІННИХ………………………………………….147 РОЗДІЛ 4. ФАЗОВІ ПЕРЕХОДИ У БІНАРНИХ РОЗЧИНАХ………………………153 4.1. Зміщення температури кипіння та температури кристалізації бінарного розчину…………………………………….153 4.2. Закон Рауля…………………………………………………………………………155 4.3. Закон Вант-Гоффа…………………………………………………………………157 4.4. Правило фаз Гіббса……………………………………………………………….159 4.5. Фазова рівновага у двокомпонентних розчинах. Рівновага рідина - пара……160 4.6. Фазова рівновага у двокомпонентних розчинах. Рівновага рідина -рідина та пара - пара…………………………………….………..163 РОЗДІЛ 5. ОСОБЛИВОСТІ МЕТАСТАБІЛЬНИХ СТАНІВ ЗА ФАЗОВИХ ПЕРЕХОДІВ РІДИНА - ПАРА…………………………………......167 5.1. Класифікація метастабільних станів………………………………………..…..172 5.2. Метастабільні стани поблизу бінодалі………………………………………....178 5.3. Рівняння стану рідини в метастабільній області…………………………….…186 5.4. Рівняння стану у нефлуктуаційній області…………………………………….188 5.5. Метастабільні стани поблизу критичної точки-…………………………….…190 5.6. Метастабільні стани поблизу границі термодинамічної стійкості……………193 5.7. Псевдокритичні індекси…………………………………………………………195 5.8. Особливості метастабільних станів у рідинних системах………………….…198 5.9. Фрактальні структури в метастабільній області…………………………….….200 РОЗДІЛ 6. НЕЙТРОННІ ДОСЛІДЖЕННЯ ГРАВІТАЦІЙНОГО ЕФЕКТУ У РІДИНАХ ПОБЛИЗУ КРИТИЧНОЇ ТОЧКИ ПАРОУТВОРЕННЯ……………..207 6.1. Специфіка ДОСЛІДЖЕННЯ КРИТИЧНИХ ЯВИЩ……………………………207 6.2. Теорія гравітаційного ефекту…………………………………………………….210 6.3. Дослідження гравітаційного ефекту традиційними методами………………...213 6.4. Нейтронний метод дослідження гравітаційного ефекту……………………….219 6.5. Методика досліджень рівноважних властивостей рідин ЗА ДОПОМОГОЮ ПРОПУСКАННЯ ПОВІЛЬНИХ НУЙТРОНІВ………….……..222 6.6. Температурна залежність положення границі поділу рідина - пара……………226 6.7. Форма критичної ізотерми рідин…………………………………………………236 6.8. Форма кривої співіснування рідина - пара……………………………………...242 6.9. Ізотермічна стисливість уздовж критичної ізохори. Масштабна функція гравітаційного ефекту……………………………………………247 6.10. РОЗСІЮВАННЯ НЕЙТРОНІВ ПОБЛИЗУ КРИТИЧНОЇ ТОЧКИ ПАРОУТВОРЕННЯ……………………………………………………………………..251 РОЗДІЛ 7. РІВНОВАЖНІ ВЛАСТИВОСТІ РІДИННИХ СИСТЕМ ПОБЛИЗУ КРИТИЧНОЇ ТОЧКИ РЩЯНА - ПАРА…………………………………..257 7.1. Методика вивчення рівноважних властивостей розчинів ЗА ДОПОМОГОЮ ПРОПУСКАННЯ ПОВІЛЬНИХ НЕЙТРОНІВ………………….257 7.2. Розподіл густини за висотою у бінарних розчинах ПОБЛИЗУ КРИТИЧНОЇ ТОЧКИ ПАРОУТВОРЕННЯ……………………………….261 7.3. Концентрація компонентів розчину на критичній ізотермі………………………270 7.4. Густина та парціальна густина компонентів розчину на кривій співіснування…276 7.5. Концентрація компонентів бінарного розчину на кривій співіснування рідина - пара…………………………………………………..285 7.6. Рівноважні властивості систем з азеотропізмом поблизу критичної точки пароутворення-………………………………………………289 7.7. Масштабні властивості розчинів і вибір параметра порядку………………………299 РОЗДІЛ 8. ОПТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ РІВНОВАЖНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ БІНАРНИХ РОЗЧИНІВ ПОБЛИЗУ КРИТИЧНОЇ ТОЧКИ РОЗШАРУВАННЯ…………………….309 8.1. Показник заломлення та функція Лоренц-Лоренца в співінертних фазах………..309 8.2. Температурна залежність показника заломлення 3-метилпіридину……………….315 8.3. Визначення критичної температури спостереженням спінодального розпаду…..316 8.4. Крива співіснування бінарного розчину 3-метшіпіридин - важка вода у змінних температура - концентрація………………………………………………….318 8.5. Діаметр кривої співіснування бінарного розчину 3-метилпіридин - важка вода……………………………………….320 РОЗДІЛ 9. ДОСЛІДЖЕННЯ РІВНОВАЖНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ РІДИННИХ СИСТЕМ ПОБЛИЗУ КРИТИЧНОЇ ТОЧКИ РОЗШАРУВАННЯ…………………….323 9.1. Гравітаційний ефект поблизу критичної температури розшарування низькомолекулярних речовин…………………………………………...323 9.2. Малокутове розсіювання нейтронів поблизу критичної точки рідина -рідина……………………………………………….330 9.3. Крива співіснування у системі рідина - рідина поблизу критичної точки розшарування…………………………………………………331 9.4. Температурна залежність положення границі поділу фаз та густина гомогенного бінарного розчину……………………………………………..337 9.5. Особливості поведінки системи полімер - розчинник ПОБЛИЗУ КРИТИЧНОЇ ТОЧКИ РОЗШАРУВАННЯ…………………………………….342 9.6. ПОВЕДІНКА РОЗЧИНУ ПОБЛИЗУ ПОДВІЙНОЇ КРИТИЧНОЇ ТОЧКИ.……….347 РОЗДІЛ 10. ДИНАМІЧНІ КРИТИЧНІ ЯВИЩА. КРИТИЧНА ПОВЕДІНКА В'ЯЗКОСТІ…………………………………………………353 10.1. ПОВЕДІНКА ЗСУВНОЇ В'ЯЗКОСТІ ПОБЛИЗУ КРИТИЧНИХ ТОЧОК……….353 10.2. КРОСОВЕРНІ ФУНКЦІЇ В'ЯЗКОСТІ……………………………………………..357 10.3. Регулярна частина в'язкості та поправка на зсув……………………..…………..361 10.4. Експериментальне отримання зсувної в'язкості……………………………….....363 10.5. Експериментальне визначення регулярної частини в'язкості……………….…..365 10.6. Аналіз критичної частини зсувної в'язкості……………………………………….368 РОЗДІЛ 11. ВПЛИВ ІОНІВ НА КРИТИЧНІ ЯВИЩА ПОБЛИЗУ КРИТИЧНОЇ ТОЧКИ РОЗШАРУВАННЯ…………………………………373 11.1. ВПЛИВ ІОНІВ На КРИТИЧНУ ПОВЕДІНКУ В'ЯЗКОСТІ……………………...373 11.2. Вплив іонів на криву співіснування………………………………………………378 РОЗДІЛ 12. ФАЗОВІ ПЕРЕХОДИ У КВАНТОВИХ СИСТЕМАХ…………………...383 12.1. Властивості рідкого гелію…………………………………………………………383 12.2. Термодинаміка фазових переходів в ядерній речовині…………………………..388 12.3. Надплинність ядерної матерії………………………………………………………394 СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ…………………………………………………………………..397