В наше време физиката се превърна в много разпространена наука. Присъства буквално навсякъде. Най-елементарният пример: в двора ви расте ябълково дърво и на него зреят плодове, идва времето и ябълките започват да падат, но в каква посока падат? Благодарение на закона за всемирното притегляне нашият плод пада на земята, тоест слиза надолу, но не и нагоре. Това беше един от най-известните примери на физиката, но нека обърнем внимание на термодинамиката, или по-точно, на фазовите равновесия, които са не по-малко важни в живота ни.
Термодинамика
На първо място, нека разгледаме този термин. ΘερΜοδυναΜική - така изглежда думата на гръцки. Първата част ΘερΜo означава „топлота“, а втората δυναΜική означава „сила“. Термодинамиката е клон на физиката, който изучава свойствата на макроскопичната система, както и различни начини за преобразуване и пренос на енергия. В този раздел се изучават специално различни състояния и процеси, за да може понятието температура да бъде въведено в описанието (това е физическа величина, която характеризира термодинамична система и се измерва с помощта наопределени уреди). Всички протичащи процеси в термодинамичните системи се описват само с микроскопични величини (налягане и температура, както и концентрацията на компонентите).
уравнение на Клапейрон-Клаузиус
Всеки физик знае това уравнение, но нека го разбием парче по парче. Отнася се до равновесните процеси на прехода на определена материя от една фаза в друга. Това ясно се вижда в такива примери: топене, изпаряване, сублимация (един от начините за запазване на продуктите, който се осъществява чрез пълно отстраняване на влагата). Формулата ясно показва текущите процеси:
- n=PV/RT;
- където T е температурата на веществото;
- P-налягане;
- R-специфична топлина на фазов преход;
- V-промяна в определен обем.
Историята на създаването на уравнението
Уравнението на Клаузиус-Клапейрон е отлично математическо обяснение на втория закон на термодинамиката. Наричано още „неравенството на Клаузиус“. Естествено, теоремата е разработена от самия учен, който е искал да обясни връзката между топлинния поток в системата и ентропията, както и нейната среда. Това уравнение е разработено от Клаузиус в опитите му да обясни и определи количествено ентропията. В буквалния смисъл теоремата ни дава възможност да определим дали един цикличен процес е обратим или необратим. Това неравенство ни предлага количествена формула за разбиране на втория закон.
Ученият беше един от първите, които работиха върху идеята за ентропията и дори я дадеиме на процеса. Това, което сега е известно като теорема на Клаузиус, е публикувано за първи път през 1862 г. в шестата работа на Рудолф, За използването на теоремата за еквивалентност на трансформацията за вътрешни работи. Ученият се опитал да покаже пропорционална връзка между ентропията и енергийния поток чрез нагряване (δ Q) в системата. В строителството тази топлинна енергия може да се преобразува в работа и може да се трансформира в топлина чрез цикличен процес. Рудолф доказа, че "алгебричният сбор от всички трансформации, които се случват в цикличен процес, може да бъде само по-малък от нула или, в крайни случаи, равен на нула."
Затворена изолирана система
Изолирана система е една от следните:
- Физическата система е далеч от другите, които не взаимодействат с тях.
- Термодинамичната система е затворена от твърди неподвижни стени, през които нито материята, нито енергията могат да преминат.
Въпреки факта, че субектът е вътрешно свързан със собствената си гравитация, изолирана система обикновено се извежда извън границите на външните гравитационни и други далечни сили.
Това може да се контрастира с това, което (в по-общата терминология, използвана в термодинамиката) се нарича затворена система, заобиколена от селективни стени, през които енергията може да се пренася под формата на топлина или работа, но не и материя. И с отворена система, в която материята и енергията влизат или излизат, въпреки че може да има различни непроницаеми стеничасти от границите му.
Изолирана система се подчинява на закона за опазване. Най-често в термодинамиката материята и енергията се разглеждат като отделни понятия.
Термодинамични преходи
За да разберем квантовите фазови преходи, е полезно да ги сравним с класическите трансформации (наричани още термични инверсии). CPT описва върховете в термодинамичните свойства на една система. Той сигнализира за реорганизация на частиците. Типичен пример е преходът на замръзване на водата, който описва плавен преход между течност и твърдо вещество. Класическите фазови нараствания се дължат на конкуренцията между енергията на системата и ентропията на нейните топлинни флуктуации.
Класическата система няма ентропия при нулева температура и следователно не може да настъпи фазова трансформация. Техният ред се определя от първия термодинамичен потенциал на прекъсната производна. И, разбира се, има първа поръчка. Фазовите трансформации от феромагнит към парамагнет са непрекъснати и от втори ред. Тези постоянни промени от подредена към неуредена фаза се описват с параметър на порядъка, който е нула. За горната феромагнитна трансформация параметърът на поръчката ще бъде общото намагнитване на системата.
потенциал на Гибс
Свободната енергия на Gibbs е максималното количество работа без разширение, което може да бъде отстранено от термодинамична затворена система (която може да обменя топлина и да работи с околната среда). Такавамаксималният резултат може да се получи само при напълно обратим процес. Когато системата се трансформира обратно от първото състояние във второто, намаляването на свободната енергия на Гибс е равно на това, което системата извършва в нейната среда, минус работата на силите на налягане.
Състояния на баланс
Термодинамичното и механичното равновесие е аксиоматична концепция на термодинамиката. Това е вътрешното състояние на една или повече системи, които са свързани с повече или по-малко пропускливи или непропускливи стени. В това състояние няма чисти макроскопични потоци от материя или енергия, нито в рамките на една система, нито между системи.
В собствената си концепция за състоянието на вътрешно равновесие, макроскопска промяна не настъпва. Системите са едновременно във взаимно топлинно, механично, химично (постоянно), радиационно равновесие. Те могат да бъдат в една и съща форма. При този процес всички изгледи се запазват наведнъж и за неопределено време, докато физическата операция не бъде прекъсната. При макроскопско равновесие се осъществяват идеално прецизни балансирани обмени. Горното доказателство е физическо обяснение на тази концепция.
Основи
Всеки закони, теореми, формули имат свои собствени основи. Нека разгледаме 3-те основи на закона за фазовото равновесие.
- Фаза е форма на материя, хомогенна по химичен състав, физическо състояние и механичен баланс. Типичните фази са твърди, течни и газообразни. Две несмесващи се течности (или течни смеси с различен състав), разделени от отделна граница, се считат за две отделни фази и несмесващи се твърди вещества.
- Броят на компонентите (C) е броят на химически независимите компоненти на системата. Минималният брой независими видове, необходими за определяне на състава на всички фази на системата.
- Броят на степените на свобода (F) в този контекст е броят на интензивните променливи, които са независими една от друга.
Класификация по фазови равновесия
- Реакции на непрекъснат нетен трансфер (често наричани реакции в твърдо състояние) възникват между твърдо вещество с различен състав. Те могат да включват елементи, открити в течности (H, C), но тези елементи се задържат в твърди фази, така че не участват течни фази като реагенти или продукти (H2O, CO2). Твърдите реакции на чист трансфер могат да бъдат непрекъснати или прекъснати, или крайни.
- Polymorphic са специален тип твърда фазова реакция, която включва фази с идентичен състав. Класически примери са реакциите между алуминиеви силикати кианит-силиманит-андалузит, превръщането на графита в диамант при високо налягане и равновесието на калциевия карбонат.
Закони на равновесието
Фабричното правило на Гибс е предложено от Джозая Уилард Гибс в известната му статия, озаглавена "Равновесието на хетерогенните вещества", която се появява от 1875 до 1878 г. Отнася се занереактивни многокомпонентни хетерогенни системи в термодинамично равновесие и е дадено равенство:
- F=C-P+2;
- където F е броят на степените на свобода;
- C – брой компоненти;
- P - брой фази в термодинамично равновесие една с друга.
Броят на степените на свобода е броят на незаетите интензивни променливи. Най-големият брой термодинамични параметри, като температура или налягане, които могат да варират едновременно и произволно, без да се влияят един на друг. Пример за еднокомпонентна система е тази с един чист химикал, докато двукомпонентните системи, като смеси от вода и етанол, имат два независими компонента. Типичните фазови преходи (фазово равновесие) са твърди вещества, течности, газове.
Фазово правило при постоянно налягане
За приложения в науката за материалите, занимаващи се с фазови промени между различни твърди структури, често възниква постоянно налягане (например една атмосфера) и се игнорира като степен на свобода, така че правилото става: F=C - P + 1.
Тази формула понякога се въвежда под името "правило за кондензирана фаза", но както знаем, тя не е приложима за тези системи, които са подложени на високи налягания (например в геологията), тъй като последствията от тези натискът може да причини катастрофални последици.
Може да изглежда, че фазовото равновесие е просто празна фраза и има малко физически процеси, в които този моменте замесен, но, както видяхме, без него много от познатите ни закони не работят, така че трябва да се запознаете малко с тези уникални, цветни, макар и малко скучни правила. Това знание е помогнало на много хора. Те се научиха как да ги прилагат върху себе си, например електротехниците, знаейки правилата за работа с фази, могат да се предпазят от ненужна опасност.
