Особенности фазовых переходов в комплексной плазме

На основании фазовой диаграммы пылевой плазмы в экранированном дебаевском потенциале в координатах параметра неидеальности и параметра экранирования строится фазовая диаграмма в переменных плотность – давление – температура для однокомпонентной системы с потенциалом Юкавы. Получены оценки скачка плотности на границе плавления. С использованием приближенных уравнений состояния выявлено существование на фазовой диаграмме обширных областей с отрицательными сжимаемостью и давлением. В связи с этим обсуждаются вопросы термодинамической устойчивости и возможность существования в равновесных многокомпонентных системах неучтенного фазового перехода типа газ-жидкость.

Цели:
1) анализ характера «расщепления» границы плавления и оценка величины соответствующего скачка плотности между раздельными границами замерзания жидкости и плавления кристалла
2) построение эквивалента фазовой диаграммы (Hamaguchi et al. 1997 Phys. Rev. E 56) в естественных переменных: плотность , температура, давление
3) анализ термодинамической устойчивости в равновесной многокомпонентной модели макроионов с зарядами +Z (-Z) и точечных микроионов с зарядами -1 (+1 соответственно).
Задачи:
1) перестроить фазовую диаграмму в переменные плотность - температура для случаев потенциала Юкавы,
2) оценить скачок плотности двумя способами - с использованием предположения о подобия плавления системы мягких сфер и системы с потенциалом Юкавы и уравнения Клапейрона-Клаузиуса;
3) с использованием приближенных уравнений состояния (Hamaguchi et al. 1997 Phys. Rev. E 56) и (Khrapak S. et al. 2014 Phys. Rev. E 89) рассчитать зоны отрицательной сжимаемости и отрицательного давления на фазовой диаграмме (Hamaguchi et al. 1997 Phys. Rev. E 56).

Изучение сильно-неидеальной комплексной плазмы активно развивается в последнее время (электроразрядная пылевая плазма, мезоскопическая атмосферная и космическая плазма). Но исследования фазовых переходов ограничиваются изучением кристаллизации и межрешеточного перехода bcc-fcc. Предварительные оценки показывают, что есть возможность существования переходов типа газ-жидкость и газ-кристалл, поэтому одной из целей работы является анализ термодинамической устойчивости в двухкомпонентных равновесных системах. Другая цель – это оценка скачка плотности на границе плавления, который ранее не рассчитывался и не оценивался. Очень мало (эпизодически) исследовалась возможность появления переходов типа газ-жидкость и газ-кристалл.

Работа полностью теоретическая и содержит аналитические выкладки. Для расчета давления на границе плавления использовался программный код А.В.Филиппова, основанный на методе интегральных уравнений в теории простых жидкостей. Для оценки скачка плотности на границе плавления использовалось предположение о подобии плавления системы Юкавы и системы мягких сфер. Также, использовалось предположение о постоястве скачка энтропии вдоль всей ривой плавления в однокомпонентной системе Юкавы.

Общепринятая фазовая диаграмма (Hamaguchi et al. 1997 Phys. Rev. E 56) в переменных параметра кулоновской неидеальности Г и безразмерного параметра экранирования к была перестроена в переменных плотность – температура. Отмечены две границы полиморфного перехода – по температуре и по плотности, причем граничная по температуре точка не является критической. Кривая фазового плавления перестроена в переменных температура – давление, причем степень мягкости меняется вдоль кривой плавления.

Сама кривая плавления должна быть расширенной двумерной зоной, а не одномерной кривой как на изначальной фазовой диаграмме, полученной в изохорическом приближении. С помощью уравнения Клапейрона-Клаузиуса и предположения о постоянстве скачка энтропии вдоль всей кривой плавления была проведена оценка скачка плотности. В результате получена зависимость скачка плотности от к. В пределе твердых сфер (к→0) Δn/n = 0,  в тройной точке 3%, а на бесконечности – около 10%.  

С использованием двух уравнений состояния (Hamaguchi et al. 1997 Phys. Rev. E 56) и (Khrapak S. et al. 2014 Phys. Rev. 89) для двухкомпонентных равновесных резко-асимметричных систем (+Z,-1)  и (-Z,+1) получено, что на фазовой диаграмме существуют обширные области отрицательной сжимаемости и отрицательного давления. Эта отрицательность существования фазового перехода 1 рода типа газ-жидкость или газ-кристалл.

Теоретическая значимость состоит в изучении мало или не исследовавшей ранее возможности существования дополнительного фазового перехода типа газ-жидкость и газ-кристалл на широко используемой диаграмме (Хамагучи, 1997). Также, впервые оценен скачок плотности на полиморфной границе плавления. Практическая значимость состоит в выработке рекомендаций для проведения развиваемой в ОИВТ РАН программы экспериментальных исследований свойств комплексной плазмы.

1) Hamaguchi S., Farouki R.T. Dubin D. Phys. Rev. E56, 4671 (1997)
2) Khrapak S.A., Khrapak A.G. Ivlev A.V., and Morfill G.E., Phys. Rev. E89, 023102 (2014)
3) Martynova I., Iosilevskiy I. Contrib. to Plasma Phys. 56(5), 432-441 (2016)
4) Фортов В.Е., Храпак А.Г., Храпак С.А., Молотков В.И., Петров О.Ф. УФН, т.174, №5 (2004)
5) Жуховицкий Д.И., Храпак А.Г., Якубов И.Т. // Физика плазмы 11 / Ред. Смирнова В.,М.:Энергоиздат, 1984, 41с.
6) Fortini A., Hynninen A.–P., Dijkstra M. J. Chem.Phys., 125, 094502 (2006)
7) Hamaguchi S., Farouki R.T. J.Chem.Phys. 101, 9885 (1994)
8) Стишов С.М. // УФН, том 114, с.3-40 (1974)
9) Филиппов А.В., Паль А.Ф., Старостин А.Н., Иванов А.С. // Письма в ЖЭТФ, том 83, вып.12, с.640–646 (2006)
10) Potekhin A., Chabrier G. Phys. Rev. E58, №4, pp.4941-4049 (1998)

Well-known phase diagram of complex plasma with the Yukawa potential (Hamagushi, 1997) was converted to temperature-density plasne. There are two limits (temperature end point and density end line). Temperature end point is not critical, but turning. The melting curve was converted to temperature-pressure plane.
We made melting density gap estimations and used an assumption of constant melting enropy gap and Clausius-Claoeyron relation.
Also, we used two equations of state for multi-component equilibrium complex plasmas (+Z,-1) and (-Z,+1) and calculated extended areas of negative total compressibility and negative total pressure. This negativity was treated as indication of an existence of additional phase transition of gas-liquid and/or gas-crystal type.