I vår tid har fysikk blitt en veldig vanlig vitenskap. Det er bokstavelig t alt til stede over alt. Det mest elementære eksemplet: et epletre vokser i hagen din, og frukter modnes på det, tiden kommer og eplene begynner å falle, men i hvilken retning faller de? Takket være loven om universell gravitasjon faller fosteret vårt til bakken, det vil si at det går ned, men ikke opp. Det var et av de mest kjente eksemplene på fysikk, men la oss ta hensyn til termodynamikk, eller mer presist, faselikevekter, som ikke er mindre viktige i livet vårt.
Termodynamikk
Først av alt, la oss se på dette begrepet. ΘερΜοδυναΜική - slik ser ordet ut på gresk. Den første delen ΘερΜo betyr "varme", og den andre δυναΜική betyr "styrke". Termodynamikk er en gren av fysikk som studerer egenskapene til et makroskopisk system, samt ulike måter å konvertere og overføre energi på. I dette avsnittet er ulike tilstander og prosesser spesielt studert slik at begrepet temperatur kan introduseres i beskrivelsen (dette er en fysisk størrelse som karakteriserer et termodynamisk system og måles vha.visse apparater). Alle pågående prosesser i termodynamiske systemer beskrives kun av mikroskopiske størrelser (trykk og temperatur, samt konsentrasjonen av komponenter).
Clapeyron-Clausius-ligning
Alle fysikere kjenner denne ligningen, men la oss bryte den ned bit for bit. Det refererer til likevektsprosessene for overgangen til viss materie fra en fase til en annen. Dette sees tydelig i slike eksempler: smelting, fordampning, sublimering (en av måtene å konservere produkter på, som skjer ved å fjerne fuktighet fullstendig). Formelen viser tydelig de pågående prosessene:
- n=PV/RT;
- der T er temperaturen til stoffet;
- P-press;
- R-spesifikk faseovergangsvarme;
- V-endring i spesifikt volum.
Historien om opprettelsen av ligningen
Clausius-Clapeyron-ligningen er en utmerket matematisk forklaring på termodynamikkens andre lov. Også referert til som "Clausius-ulikheten". Naturligvis ble teoremet utviklet av forskeren selv, som ønsket å forklare forholdet mellom varmestrømmen i systemet og entropien, samt dets miljø. Denne ligningen ble utviklet av Clausius i hans forsøk på å forklare og kvantifisere entropi. I bokstavelig forstand gir teoremet oss muligheten til å bestemme om en syklisk prosess er reversibel eller irreversibel. Denne ulikheten gir oss en kvantitativ formel for å forstå den andre loven.
Vitenskapsmannen var en av de første som arbeidet med ideen om entropi, og ga den til og medprosessnavn. Det som nå er kjent som Clausius' teorem ble først publisert i 1862 i Rudolfs sjette verk, On the Use of the Transformation Equivalence Theorem for Interior Work. Forskeren forsøkte å vise et proporsjon alt forhold mellom entropi og energiflyt ved oppvarming (δ Q) i systemet. I konstruksjon kan denne termiske energien omdannes til arbeid, og den kan omdannes til varme gjennom en syklisk prosess. Rudolph beviste at "den algebraiske summen av alle transformasjoner som skjer i en syklisk prosess bare kan være mindre enn null eller, i ekstreme tilfeller, lik null."
Lukket isolert system
Isolert system er ett av følgende:
- Det fysiske systemet er langt fra andre som ikke samhandler med dem.
- Det termodynamiske systemet er lukket av stive, ubevegelige vegger som verken materie eller energi kan passere gjennom.
Til tross for at emnet er internt relatert til sin egen gravitasjon, blir et isolert system vanligvis tatt utover grensene for ytre gravitasjons- og andre fjerne krefter.
Dette kan settes i kontrast til det som (i den mer generelle terminologien som brukes i termodynamikk) kalles et lukket system omgitt av selektive vegger som energi kan overføres gjennom i form av varme eller arbeid, men ikke materie. Og med et åpent system der materie og energi kommer inn eller ut, selv om det kan ha forskjellige ugjennomtrengelige vegger ideler av grensene.
Et isolert system adlyder verneloven. Oftest i termodynamikk blir materie og energi betraktet som separate begreper.
Termodynamiske overganger
For å forstå kvantefaseoverganger er det nyttig å sammenligne dem med klassiske transformasjoner (også k alt termiske inversjoner). CPT beskriver spissen i de termodynamiske egenskapene til et system. Det signaliserer omorganisering av partikler. Et typisk eksempel er fryseovergangen til vann, som beskriver en jevn overgang mellom en væske og et fast stoff. Klassiske fasevekster skyldes konkurransen mellom energien til systemet og entropien til dets termiske svingninger.
Et klassisk system har ingen entropi ved null temperatur og derfor kan ingen fasetransformasjon forekomme. Deres rekkefølge bestemmes av det første diskontinuerlige derivative termodynamiske potensialet. Og selvfølgelig har den den første ordren. Fasetransformasjoner fra en ferromagnet til en paramagnet er kontinuerlige og andre ordens. Disse konstante endringene fra en ordnet til en uordnet fase er beskrevet av en ordensparameter som er null. For den ovennevnte ferromagnetiske transformasjonen vil ordreparameteren være den totale magnetiseringen av systemet.
Gibbs-potensial
The Gibbs Free Energy er den maksimale mengden arbeid uten ekspansjon som kan fjernes fra et termodynamisk lukket system (som kan utveksle varme og arbeide med miljøet). Slikdet maksimale resultatet kan kun oppnås i en fullstendig reversibel prosess. Når systemet transformerer tilbake fra den første tilstanden til den andre, er reduksjonen i Gibbs frie energi lik den som utføres av systemet i dets omgivelser, minus arbeidet til trykkkreftene.
balanse
Termodynamisk og mekanisk likevekt er et aksiomatisk konsept for termodynamikk. Dette er den interne tilstanden til ett eller flere systemer som er forbundet med mer eller mindre permeable eller ugjennomtrengelige vegger. I denne tilstanden er det ingen rene makroskopiske strømmer av materie eller energi, verken i et system eller mellom systemer.
I sin egen oppfatning av tilstanden til indre likevekt forekommer ikke makroskopiske endringer. Systemene er samtidig i gjensidig termisk, mekanisk, kjemisk (konstant), strålingslikevekt. De kan være i samme form. I denne prosessen lagres alle visninger på en gang og på ubestemt tid til den fysiske operasjonen brytes. I makroskopisk likevekt skjer perfekt presise balanserte utvekslinger. Beviset ovenfor er en fysisk forklaring på dette konseptet.
Grunnleggende
Hver lover, teoremer, formler har sitt eget grunnlag. La oss se på de tre grunnlagene for loven om faselikevekt.
- Fase er en form for materie, homogen i kjemisk sammensetning, fysisk tilstand og mekanisk balanse. Typiske faser er faste, flytende og gassformige. To ikke-blandbare væsker (eller flytende blandinger med forskjellige sammensetninger) atskilt med en separat grense regnes som to distinkte faser og ikke-blandbare faste stoffer.
- Antall komponenter (C) er antallet kjemisk uavhengige komponenter i systemet. Minimumsantallet uavhengige arter som kreves for å bestemme sammensetningen av alle fasene i systemet.
- Antallet frihetsgrader (F) i denne sammenhengen er antallet intensive variabler som er uavhengige av hverandre.
Klassifisering etter faselikevekter
- Reaksjoner av kontinuerlig nettooverføring (ofte k alt faststoffreaksjoner) forekommer mellom fast stoff med ulik sammensetning. De kan inkludere elementer som finnes i væsker (H, C), men disse elementene beholdes i faste faser, så ingen flytende faser er involvert som reaktanter eller produkter (H2O, CO2). Solide rene overføringsreaksjoner kan være kontinuerlige eller diskontinuerlige, eller terminale.
- Polymorfe er en spesiell type fastfasereaksjoner som inkluderer faser med identisk sammensetning. Klassiske eksempler er reaksjonene mellom aluminiumsilikater kyanitt-sillimanitt-andalusitt, omdannelsen av grafitt til diamant ved høyt trykk, og likevekten av kalsiumkarbonat.
Lover for likevekt
The Gibbs Factory Rule ble foreslått av Josiah Willard Gibbs i hans berømte papir med tittelen "The Equilibrium of Heterogeneous Substances", som dukket opp fra 1875 til 1878. Det gjelderikke-reaktive multikomponent heterogene systemer i termodynamisk likevekt og er en gitt likhet:
- F=C-P+2;
- der F er antall frihetsgrader;
- C – antall komponenter;
- P - antall faser i termodynamisk likevekt med hverandre.
Antallet frihetsgrader er antall ledige intensivvariabler. Det største antallet termodynamiske parametere, som temperatur eller trykk, som kan variere samtidig og vilkårlig uten å påvirke hverandre. Et eksempel på et enkomponentsystem er et med et enkelt rent kjemikalie, mens tokomponentsystemer, som blandinger av vann og etanol, har to uavhengige komponenter. Typiske faseoverganger (faselikevekt) er faste stoffer, væsker, gasser.
Faseregel ved konstant trykk
For applikasjoner innen materialvitenskap som omhandler faseendringer mellom ulike faste strukturer, oppstår ofte et konstant trykk (f.eks. én atmosfære) og ignoreres som en frihetsgrad, så regelen blir: F=C - P + 1.
Denne formelen er noen ganger introdusert under navnet "regel for kondensert fase", men som vi vet er den ikke aktuelt for disse systemene som er utsatt for høye trykk (for eksempel i geologi), siden konsekvensene av disse press kan forårsake katastrofale konsekvenser.
Det kan virke som om faselikevekt bare er en tom frase, og det er få fysiske prosesser der dette øyeblikketer involvert, men som vi har sett, uten det, fungerer ikke mange av lovene vi kjenner, så du må bli litt kjent med disse unike, fargerike, om enn litt kjedelige reglene. Denne kunnskapen har hjulpet mange mennesker. De lærte å bruke dem på seg selv, for eksempel kan elektrikere, som kjenner reglene for arbeid med faser, beskytte seg mot unødvendig fare.