W naszych czasach fizyka stała się bardzo powszechną nauką. Jest dosłownie wszędzie. Najbardziej elementarny przykład: na twoim podwórku rośnie jabłoń i dojrzewają na niej owoce, nadchodzi czas i jabłka zaczynają spadać, ale w jakim kierunku spadają? Dzięki prawu powszechnego ciążenia nasz płód opada na ziemię, czyli schodzi w dół, ale nie w górę. Był to jeden z najsłynniejszych przykładów fizyki, ale zwróćmy uwagę na termodynamikę, a dokładniej na równowagi fazowe, które są nie mniej ważne w naszym życiu.
Termodynamika
Przede wszystkim spójrzmy na ten termin. ΘερΜοδυναΜική - tak to słowo wygląda w języku greckim. Pierwsza część ΘερΜo oznacza „ciepło”, a druga δυναΜική oznacza „siła”. Termodynamika to dział fizyki zajmujący się badaniem właściwości układu makroskopowego, a także różnych sposobów przetwarzania i przekazywania energii. W tej sekcji różne stany i procesy są specjalnie badane, aby pojęcie temperatury można było wprowadzić do opisu (jest to wielkość fizyczna, która charakteryzuje układ termodynamiczny i jest mierzona za pomocąniektórych urządzeń). Wszystkie procesy zachodzące w układach termodynamicznych są opisane jedynie wielkościami mikroskopowymi (ciśnienie i temperatura oraz stężenie składników).
Równanie Clapeyrona-Clausiusa
Każdy fizyk zna to równanie, ale podzielmy je kawałek po kawałku. Odnosi się do procesów równowagi przejścia pewnej materii z jednej fazy do drugiej. Widać to wyraźnie w takich przykładach: topienie, parowanie, sublimacja (jeden ze sposobów utrwalania produktów, który odbywa się poprzez całkowite usunięcie wilgoci). Formuła wyraźnie pokazuje zachodzące procesy:
- n=PV/RT;
- gdzie T jest temperaturą substancji;
- P-ciśnienie;
- R-ciepło właściwe przemiany fazowej;
- V-zmiana określonej objętości.
Historia powstania równania
Równanie Clausiusa-Clapeyrona jest doskonałym matematycznym wyjaśnieniem drugiej zasady termodynamiki. Nazywana również „nierównością Clausiusa”. Oczywiście twierdzenie to zostało opracowane przez samego naukowca, który chciał wyjaśnić związek między przepływem ciepła w układzie a entropią i jego otoczeniem. Równanie to zostało opracowane przez Clausiusa w jego próbach wyjaśnienia i ilościowego określenia entropii. W sensie dosłownym twierdzenie to daje nam możliwość określenia, czy proces cykliczny jest odwracalny, czy nieodwracalny. Ta nierówność daje nam ilościową formułę zrozumienia drugiego prawa.
Naukowiec był jednym z pierwszych, który pracował nad ideą entropii, a nawet ją podarowałNazwa procesu. To, co jest obecnie znane jako twierdzenie Clausiusa, zostało po raz pierwszy opublikowane w 1862 roku w szóstej pracy Rudolfa, O użyciu twierdzenia o równoważności transformacji dla prac wewnętrznych. Naukowiec starał się pokazać proporcjonalną zależność między entropią a przepływem energii przez ogrzewanie (δ Q) w układzie. W budownictwie ta energia cieplna może zostać zamieniona na pracę, a także na ciepło w procesie cyklicznym. Rudolph udowodnił, że „suma algebraiczna wszystkich przekształceń zachodzących w procesie cyklicznym może być tylko mniejsza od zera lub, w skrajnych przypadkach, równa zeru”.
Zamknięty izolowany system
System izolowany jest jednym z następujących:
- System fizyczny jest daleki od innych, które nie wchodzą w interakcje z nimi.
- System termodynamiczny jest zamknięty sztywnymi, nieruchomymi ścianami, przez które nie może przejść ani materia, ani energia.
Pomimo faktu, że podmiot jest wewnętrznie powiązany z własną grawitacją, izolowany system jest zwykle przenoszony poza granice zewnętrznych sił grawitacyjnych i innych odległych sił.
Można to skontrastować z tym, co (w bardziej ogólnej terminologii używanej w termodynamice) nazywa się zamkniętym systemem otoczonym selektywnymi ścianami, przez które energia może być przenoszona w postaci ciepła lub pracy, ale nie materii. I z otwartym systemem, w którym materia i energia wchodzi lub wychodzi, chociaż może mieć różne nieprzeniknione ścianyczęści jego granic.
Odizolowany system przestrzega prawa ochrony. Najczęściej w termodynamice materia i energia są traktowane jako odrębne pojęcia.
Przejścia termodynamiczne
Aby zrozumieć kwantowe przejścia fazowe, warto porównać je z transformacjami klasycznymi (zwanymi również inwersjami termicznymi). CPT opisuje szczyt we właściwościach termodynamicznych systemu. Sygnalizuje reorganizację cząstek. Typowym przykładem jest przemiana zamarzania wody, która opisuje płynne przejście między cieczą a ciałem stałym. Przyrosty fazy klasycznej wynikają z konkurencji między energią układu a entropią jego fluktuacji termicznych.
Klasyczny system nie ma entropii w temperaturze zerowej i dlatego nie może zajść żadna przemiana fazowa. Ich kolejność jest określona przez potencjał termodynamiczny pierwszej pochodnej nieciągłej. I oczywiście ma pierwsze zamówienie. Przemiany fazowe od ferromagnetyka do paramagnesu są ciągłe i drugiego rzędu. Te ciągłe zmiany od fazy uporządkowanej do nieuporządkowanej są opisane przez parametr porządku, który jest równy zero. Dla powyższej transformacji ferromagnetycznej parametrem porządku będzie całkowite namagnesowanie układu.
Potencjał Gibbsa
Swobodna energia Gibbsa to maksymalna ilość pracy bez rozszerzania, którą można usunąć z termodynamicznego systemu zamkniętego (który może wymieniać ciepło i współpracować z otoczeniem). Takimaksymalny wynik można uzyskać tylko w całkowicie odwracalnym procesie. Kiedy system przechodzi z powrotem z pierwszego stanu do drugiego, redukcja energii swobodnej Gibbsa jest równa redukcji wykonywanej przez system w jego otoczeniu, minus praca sił nacisku.
Stan równowagi
Równowaga termodynamiczna i mechaniczna jest aksjomatyczną koncepcją termodynamiki. Jest to stan wewnętrzny jednego lub więcej systemów, które są połączone mniej lub bardziej przepuszczalnymi lub nieprzepuszczalnymi ścianami. W tym stanie nie ma czysto makroskopowych przepływów materii lub energii, ani w systemie, ani między systemami.
W swojej własnej koncepcji stanu równowagi wewnętrznej, zmiana makroskopowa nie występuje. Układy znajdują się jednocześnie we wzajemnej równowadze termicznej, mechanicznej, chemicznej (stałej), radiacyjnej. Mogą mieć taką samą formę. W tym procesie wszystkie widoki są zapisywane jednocześnie i na czas nieokreślony, aż do przerwania fizycznej operacji. W równowadze makroskopowej zachodzą idealnie precyzyjne, zrównoważone wymiany. Powyższy dowód jest fizycznym wyjaśnieniem tego pojęcia.
Podstawy
Każde prawa, twierdzenia, formuły mają swoje własne podstawy. Przyjrzyjmy się trzem podstawom prawa równowagi fazowej.
- Faza jest formą materii jednorodną pod względem składu chemicznego, stanu fizycznego i równowagi mechanicznej. Typowe fazy to fazy stałe, ciekłe i gazowe. Dwie niemieszające się ciecze (lub mieszaniny cieczy o różnym składzie) oddzielone oddzielną granicą są uważane za dwie odrębne fazy i niemieszające się ciała stałe.
- Liczba składników (C) to liczba chemicznie niezależnych składników systemu. Minimalna liczba niezależnych gatunków wymagana do określenia składu wszystkich faz systemu.
- Liczba stopni swobody (F) w tym kontekście to liczba zmiennych intensywnych, które są od siebie niezależne.
Klasyfikacja według równowag fazowych
- Reakcje ciągłego transferu netto (często nazywane reakcjami w stanie stałym) zachodzą między materią stałą o różnym składzie. Mogą zawierać pierwiastki znajdujące się w cieczach (H, C), ale pierwiastki te są zatrzymywane w fazach stałych, więc fazy ciekłe nie biorą udziału jako reagenty lub produkty (H2O, CO2). Reakcje czystego transferu w stanie stałym mogą być ciągłe, nieciągłe lub końcowe.
- Polimorficzne to specjalny rodzaj reakcji w fazie stałej, który obejmuje fazy o identycznym składzie. Klasycznymi przykładami są reakcje między krzemianami glinu cyjanit-silimanit-andaluzyt, konwersja grafitu do diamentu pod wysokim ciśnieniem oraz równowaga węglanu wapnia.
Prawa równowagi
Zasada Fabryki Gibbsa została zaproponowana przez Josiaha Willarda Gibbsa w jego słynnym artykule zatytułowanym „Równowaga substancji heterogenicznych”, który ukazał się w latach 1875-1878. Dotyczy toniereaktywne wieloskładnikowe układy heterogeniczne w równowadze termodynamicznej i jest dana równość:
- F=C-P+2;
- gdzie F jest liczbą stopni swobody;
- C – liczba składników;
- P - liczba faz w równowadze termodynamicznej ze sobą.
Liczba stopni swobody to liczba niezajętych zmiennych intensywnych. Największa liczba parametrów termodynamicznych, takich jak temperatura czy ciśnienie, które mogą zmieniać się jednocześnie i dowolnie bez wzajemnego wpływu. Przykładem systemu jednoskładnikowego jest system z jedną czystą substancją chemiczną, podczas gdy systemy dwuskładnikowe, takie jak mieszaniny wody i etanolu, mają dwa niezależne składniki. Typowe przejścia fazowe (równowaga fazowa) to ciała stałe, ciecze, gazy.
Zasada fazy przy stałym ciśnieniu
Dla zastosowań w materiałoznawstwie zajmujących się zmianami faz pomiędzy różnymi strukturami stałymi, często występuje stałe ciśnienie (np. jedna atmosfera) i jest ignorowane jako stopień swobody, więc reguła wygląda następująco: F=C - P + 1.
Ta formuła jest czasami wprowadzana pod nazwą „reguła fazy skondensowanej”, ale jak wiemy, nie ma ona zastosowania do tych systemów, które podlegają wysokim ciśnieniom (na przykład w geologii), ponieważ konsekwencje tych presja może spowodować katastrofalne konsekwencje.
Może się wydawać, że równowaga fazowa jest tylko pustym frazesem, a istnieje kilka procesów fizycznych, w których ten momentjest zaangażowany, ale jak widzieliśmy, bez tego wiele znanych nam przepisów nie działa, więc musisz trochę zapoznać się z tymi wyjątkowymi, kolorowymi, choć trochę nudnymi zasadami. Ta wiedza pomogła wielu ludziom. Nauczyli się, jak stosować je do siebie, na przykład elektrycy, znając zasady pracy z fazami, potrafią uchronić się przed niepotrzebnym niebezpieczeństwem.
