Mūsų laikais fizika tapo labai įprastu mokslu. Jis tiesiogine prasme yra visur. Pats elementariausias pavyzdys: tavo kieme auga obelis, ant kurios sunoksta vaisiai, ateina laikas ir pradeda kristi obuoliai, bet į kurią pusę krenta? Visuotinės gravitacijos dėsnio dėka mūsų vaisius krenta ant žemės, tai yra leidžiasi žemyn, bet ne aukštyn. Tai buvo vienas žinomiausių fizikos pavyzdžių, bet atkreipkime dėmesį į termodinamiką, o tiksliau – į fazių pusiausvyrą, kuri ne mažiau svarbi mūsų gyvenime.
Termodinamika
Pirmiausia pažvelkime į šį terminą. ΘερΜοδυναΜική – taip šis žodis atrodo graikų kalba. Pirmoji dalis ΘερΜo reiškia „šiluma“, o antroji δυναΜική reiškia „jėga“. Termodinamika – fizikos šaka, tirianti makroskopinės sistemos savybes, taip pat įvairius energijos konvertavimo ir perdavimo būdus. Šiame skyriuje specialiai tiriamos įvairios būsenos ir procesai, kad į aprašymą būtų galima įtraukti temperatūros sąvoką (tai fizikinis dydis, apibūdinantis termodinaminę sistemą ir matuojamas naudojanttam tikri prietaisai). Visi termodinaminėse sistemose vykstantys procesai aprašomi tik mikroskopiniais dydžiais (slėgiu ir temperatūra, taip pat komponentų koncentracija).
Clapeyrono-Clausius lygtis
Kiekvienas fizikas žino šią lygtį, bet išskaidykime ją po gabalėlį. Tai reiškia tam tikros medžiagos perėjimo iš vienos fazės į kitą pusiausvyros procesus. Tai aiškiai matyti tokiuose pavyzdžiuose: lydymas, garinimas, sublimacija (vienas iš produktų konservavimo būdų, kuris vyksta visiškai pašalinus drėgmę). Formulė aiškiai parodo vykstančius procesus:
- n=PV/RT;
- kur T yra medžiagos temperatūra;
- P-slėgis;
- R-specifinė fazinio virsmo šiluma;
- V – konkretaus garsumo pakeitimas.
Lygties sukūrimo istorija
Clausius-Clapeyron lygtis yra puikus matematinis antrojo termodinamikos dėsnio paaiškinimas. Taip pat vadinama „Klausiaus nelygybe“. Natūralu, kad teoremą sukūrė pats mokslininkas, norėdamas paaiškinti ryšį tarp šilumos srauto sistemoje ir entropijos bei jos aplinkos. Šią lygtį sukūrė Clausius, bandydamas paaiškinti ir kiekybiškai įvertinti entropiją. Tiesiogine prasme teorema suteikia mums galimybę nustatyti, ar ciklinis procesas yra grįžtamas, ar negrįžtamas. Ši nelygybė suteikia mums kiekybinę antrojo dėsnio supratimo formulę.
Mokslininkas buvo vienas pirmųjų, pradėjusių nagrinėti entropijos idėją ir netgi ją davėproceso pavadinimas. Tai, kas dabar žinoma kaip Klausijaus teorema, pirmą kartą buvo paskelbta 1862 m. šeštajame Rudolfo darbe „Apie transformacijos ekvivalentiškumo teoremos panaudojimą vidaus darbams“. Mokslininkas bandė parodyti proporcingą ryšį tarp entropijos ir energijos srauto kaitinant (δ Q) sistemoje. Statyboje ši šiluminė energija gali būti paversta darbu, o per ciklinį procesą ji gali virsti šiluma. Rudolfas įrodė, kad „algebrinė visų transformacijų, vykstančių cikliniame procese, suma gali būti mažesnė už nulį arba, kraštutiniais atvejais, lygi nuliui“.
Uždara izoliuota sistema
Izoliuota sistema yra viena iš šių:
- Fizinė sistema yra toli nuo kitų, kurios su jomis nesąveikauja.
- Termodinaminę sistemą uždaro standžios nejudančios sienos, pro kurias negali praeiti nei materija, nei energija.
Nepaisant to, kad objektas yra iš vidaus susijęs su savo gravitacija, izoliuota sistema paprastai paimama už išorinių gravitacinių ir kitų tolimų jėgų ribų.
Tai galima supriešinti su tuo, kas (bendresniu termodinamikos terminu) vadinama uždara sistema, apsupta selektyvių sienų, per kurias energija gali būti perduodama šilumos arba darbo, bet ne materijos, pavidalu. Ir su atvira sistema, į kurią patenka arba išeina materija ir energija, nors joje gali būti įvairių nepraeinamų sienųjos sienų dalis.
Izoliuota sistema paklūsta išsaugojimo įstatymui. Dažniausiai termodinamikoje medžiaga ir energija laikomos atskiromis sąvokomis.
Termodinaminiai perėjimai
Norint suprasti kvantinius fazių perėjimus, naudinga juos palyginti su klasikinėmis transformacijomis (dar vadinamomis terminėmis inversijomis). CPT apibūdina sistemos termodinamines savybes. Tai signalizuoja apie dalelių persitvarkymą. Tipiškas pavyzdys yra vandens užšalimo perėjimas, kuris apibūdina sklandų perėjimą tarp skysčio ir kietos medžiagos. Klasikinis fazių augimas atsiranda dėl konkurencijos tarp sistemos energijos ir jos šiluminių svyravimų entropijos.
Klasikinė sistema neturi entropijos nulinėje temperatūroje, todėl negali įvykti jokia fazinė transformacija. Jų eiliškumą lemia pirmasis nepertraukiamas išvestinis termodinaminis potencialas. Ir, žinoma, jis turi pirmąjį užsakymą. Fazinės transformacijos iš feromagneto į paramagnetą yra nuolatinės ir antros eilės. Šie nuolatiniai pokyčiai iš sutvarkytos į netvarkingą fazę apibūdinami eilės parametru, kuris yra nulis. Pirmiau nurodytos feromagnetinės transformacijos eilės parametras bus bendras sistemos įmagnetinimas.
Gibbso potencialas
The Gibbs Free Energy yra didžiausias darbo kiekis be išsiplėtimo, kurį galima pašalinti iš termodinaminės uždaros sistemos (kuri gali keistis šiluma ir dirbti su aplinka). Toksmaksimalų rezultatą galima gauti tik visiškai grįžtamuoju procesu. Kai sistema grįžta iš pirmosios būsenos į antrąją, Gibso laisvosios energijos sumažėjimas yra lygus sistemos atliekamam jos aplinkoje, atėmus slėgio jėgų darbą.
Balanso būsenos
Termodinaminė ir mechaninė pusiausvyra yra aksiomatinė termodinamikos samprata. Tai vienos ar kelių sistemų, sujungtų daugiau ar mažiau laidžiomis arba nepralaidžiomis sienelėmis, vidinė būsena. Šioje būsenoje nėra grynų makroskopinių medžiagos ar energijos srautų nei sistemoje, nei tarp sistemų.
Pati vidinės pusiausvyros būsenos samprata makroskopiniai pokyčiai nevyksta. Sistemos vienu metu yra abipusėje šiluminėje, mechaninėje, cheminėje (pastovioje), radiacinėje pusiausvyroje. Jie gali būti tos pačios formos. Šiame procese visi rodiniai išsaugomi vienu metu ir neribotą laiką, kol fizinė operacija sulaužoma. Esant makroskopinei pusiausvyrai, vyksta tobulai tikslūs subalansuoti mainai. Pirmiau pateiktas įrodymas yra fizinis šios sąvokos paaiškinimas.
Pagrindai
Kiekvienas dėsnis, teorema, formulė turi savo pagrindus. Pažvelkime į 3 fazių pusiausvyros dėsnio pagrindus.
- Fazė yra vienalytės cheminės sudėties, fizinės būsenos ir mechaninės pusiausvyros medžiagos forma. Tipiškos fazės yra kietos, skystos ir dujinės. Du nesimaišantys skysčiai (arba skirtingos sudėties skysti mišiniai), atskirti atskira riba, laikomi dviem skirtingomis fazėmis ir nesimaišančiomis kietosiomis medžiagomis.
- Komponentų skaičius (C) yra chemiškai nepriklausomų sistemos komponentų skaičius. Mažiausias nepriklausomų rūšių skaičius, reikalingas visų sistemos fazių sudėčiai nustatyti.
- Laisvės laipsnių skaičius (F) šiame kontekste yra intensyvių kintamųjų, kurie nepriklauso vienas nuo kito, skaičius.
Klasifikavimas pagal fazių pusiausvyrą
- Nepertraukiamo grynojo perdavimo reakcijos (dažnai vadinamos kietojo kūno reakcijomis) vyksta tarp skirtingos sudėties kietųjų medžiagų. Juose gali būti elementų, esančių skysčiuose (H, C), tačiau šie elementai išlieka kietose fazėse, todėl skystosios fazės nėra naudojamos kaip reagentai ar produktai (H2O, CO2). Grynosios kietosios medžiagos perdavimo reakcijos gali būti nepertraukiamos arba nepertraukiamos arba galutinės.
- Polymorphic yra specialus kietosios fazės reakcijos tipas, apimantis identiškos sudėties fazes. Klasikiniai pavyzdžiai yra aliuminio silikatų kianito-silimanito ir andalūzito reakcijos, grafito pavertimas deimantu esant aukštam slėgiui ir kalcio karbonato pusiausvyra.
Pusiausvyros dėsniai
Gibso gamyklos taisyklę pasiūlė Josiah Willardas Gibbsas savo garsiajame darbe pavadinimu „Nevienalyčių medžiagų pusiausvyra“, kuris pasirodė 1875–1878 m. Tai taikomanereaktyvios daugiakomponentės heterogeninės sistemos termodinaminėje pusiausvyroje ir yra duotoji lygybė:
- F=C-P+2;
- kur F yra laisvės laipsnių skaičius;
- C – komponentų skaičius;
- P – fazių skaičius termodinaminėje pusiausvyroje viena su kita.
Laisvės laipsnių skaičius yra neužimtų intensyvių kintamųjų skaičius. Didžiausias termodinaminių parametrų skaičius, pvz., temperatūra ar slėgis, kurie gali kisti vienu metu ir savavališkai, nedarydami įtakos vienas kitam. Vieno komponento sistemos pavyzdys yra sistema su viena gryna chemine medžiaga, o dviejų komponentų sistemos, tokios kaip vandens ir etanolio mišiniai, turi du nepriklausomus komponentus. Tipiški fazių perėjimai (fazių pusiausvyra) yra kietosios medžiagos, skysčiai, dujos.
Fazės taisyklė esant pastoviam slėgiui
Taikant medžiagų mokslą, susijusią su fazių pokyčiais tarp skirtingų kietų struktūrų, dažnai susidaro pastovus slėgis (pvz., viena atmosfera) ir į jį neatsižvelgiama kaip į laisvės laipsnį, todėl taisyklė tampa tokia: F=C - P + 1.
Ši formulė kartais įvedama pavadinimu „sutrumpintos fazės taisyklė“, tačiau, kaip žinome, ji netaikoma šioms sistemoms, kurios yra veikiamos didelio slėgio (pavyzdžiui, geologijoje), nes jų pasekmės spaudimas gali sukelti katastrofiškų pasekmių.
Gali atrodyti, kad fazių pusiausvyra yra tik tuščia frazė, ir yra keletas fizinių procesų, kuriuose šiuo momentuyra įtraukta, tačiau, kaip matėme, be jo daugelis mums žinomų įstatymų neveikia, todėl jums reikia šiek tiek susipažinti su šiomis unikaliomis, spalvingomis, nors ir šiek tiek nuobodžiomis taisyklėmis. Šios žinios padėjo daugeliui žmonių. Jie išmoko juos pritaikyti sau, pavyzdžiui, elektrikai, žinodami darbo su fazėmis taisykles, gali apsisaugoti nuo nereikalingo pavojaus.
