У наш час фізика стала дуже поширеною наукою. У буквальному сенсі вона присутня скрізь. Самий елементарний приклад: у вашому дворі росте яблуня, а на ній достигають фрукти, приходить час і яблука починають опадати, але в якому напрямку вони падають? Завдяки закону всесвітнього тяжіння наш плід падає на землю, тобто прямує вниз, а не вгору. Це був один з найбільш відомих прикладів фізики, але давайте звернемо увагу на термодинаміку, а якщо точніше, то на фазові рівноваги, які не менш важливі в нашому житті.

Термодинаміка

Для початку, давайте розглянемо цей термін. ?????????????- так виглядає слово на грецькій мові. Перша частина ????о означає «тепло», а друга ????????- «сила». Термодинаміка – розділ фізики, який вивчає властивості макроскопічної системи, а також різні способи перетворення і передачі енергії. В цьому розділі спеціально вивчаються різні стани і процеси для того, щоб в опис можна ввести поняття температура (це фізична величина, яка характеризує термодинамічну систему і вимірюється за допомогою певних приладів). Всі процеси, що відбуваються в термодинамічних системах описуються тільки мікроскопічними величинами (тиск і температура, а також концентрація компонентів).

Рівняння Клапейрона-Клаузіуса

Кожен фізик знає це рівняння, але давайте ми його розберемо по частинах. Воно відноситься до рівноважних процесів переходу певної матерії з однієї фази в іншу. Це чудово видно на таких прикладах: плавлення, випаровування, сублімація (один із способів консервації продуктів, який проходить шляхом повного видалення вологи). За формулою добре видно процеси:

n= PV/T;

де Т-температура речовини;

Р-тиск;

R-питома теплота фазового переходу;

V-зміна питомого об'єму.

Історія створення рівняння

Рівняння Клапейрона-Клаузіуса є прекрасним математичним поясненням другого закону термодинаміки. Також згадується як «нерівність Клаузиуса». Природно, теорема була розроблена самим ученим, який хотів пояснити взаємозв'язок між тепловим потоком в системі і ентропією, а також її оточення. Це рівняння Клаузіус розробив у своїх спробах пояснити ентропію і визначити її в кількостях. У прямому сенсі теорема дає нам можливість визначити, чи є циклічний процес оборотним або він незворотній. Ця нерівність пропонує нам кількісну формулу для розуміння другого закону. Вчений був одним з перших, хто працював над ідеєю ентропії, і навіть дав цього процесу назву. Те, що зараз відомо, як теорема Клаузиуса, вперше було опубліковано в 1862 році в шостому праці Рудольфа «Про використання теореми еквівалентності перетворень для роботи в інтер'єрі». Вчений намагався показати пропорційну залежність між ентропією і потоком енергії шляхом нагрівання (? Q ) в системі. У побудові ця теплова енергія може бути перетворена в роботу, і вона може бути трансформована в тепло через циклічний процес. Рудольф довів, що «алгебраїчна сума всіх перетворень, що відбуваються в циклічному процесі, може бути тільки менше нуля або, в крайньому випадку, дорівнює нулю».

Замкнута, ізольована система

Ізольована система є одним із наступних способів:

Фізична система далека від інших, які не взаємодіють з ними.

Термодинамічна система закрита жорсткими нерухомими стінками, через які ні матерія, ні енергія не може пройти.

Незважаючи на те, що суб'єкт внутрішньо ставиться до своєї власної гравітації, ізольовану систему зазвичай приймають за межі зовнішніх гравітаційних та інших далеких сил. Це може бути протиставлено того, що (в більш загальної термінології, використовуваної в термодинаміці) називається замкнутою системою, охоплюваній вибірковими стінками, через які можна передавати енергію у вигляді тепла або роботи, але не матерії. І з відкритою системою, в яку матерія і енергія входять або виходять, хоча в неї можуть бути різні непроникні стіни в частинах її кордонів. Ізольована система підкоряється закону збереження. Найчастіше в термодинаміці речовина і енергія розглядаються як окремі поняття.

Термодинамічні переходи

Щоб зрозуміти квантові фазові переходи, корисно зіставити їх з класичними трансформаціями (також званими тепловими зверненнями). CPT описує точку повернення в термодинамічні властивості системи. Він сигналізує про реорганізацію частинок. Типовим прикладом є замерзаючий перехід води, який описує плавне перетворення між рідиною і твердим тілом. Класичні фазові переростання обумовлені конкуренцією між енергією системи і ентропією її теплових флуктуацій. Класична система не має ентропії при нульовій температурі і, отже, не може відбутися фазове перетворення. Їх порядок визначається першим розривним похідним термодинамічним потенціалом. І, звичайно ж, має перший порядок. Фазові перетворення від феромагнетика до парамагнетику є безперервним і має другий порядок. Ці постійні зміни від впорядкованої до невпорядкованої фази описуються параметром порядку, які дорівнюють нулю. Для вищезазначеного феромагнітного перетворення параметр порядку буде являти собою повну намагніченість системи.

Потенціал Гіббса

Вільна енергія Гіббса - це максимальне кількість робіт без розширення, які можуть бути прибрані з термодинамічної закритої системи (яка може обмінювати тепло і працювати з навколишнім середовищем). Такий максимальний результат може бути отриманий тільки в повністю оборотному процесі. Коли система трансформується зворотним чином з першого стану в друге, зменшення вільної енергії Гіббса одно що виконується системою в її оточенні, за вирахуванням роботи сил тиску.

Стану рівноваги

Термодинамічний і механічне рівновага є аксіоматичною концепцією термодинаміки. Це внутрішній стан однієї або декількох систем, які з'єднані більш або менш проникними або непроникними стінками. У цьому стані немає чистих макроскопічних потоків з матерії або енергії, або в межах системи або між системами. У своїй власній концепції стану внутрішніх рівноваг макроскопічне зміна не відбувається. Системи одночасно знаходяться у взаємних теплових, механічних, хімічних (константи), радіаційних рівноваги. Вони можуть бути в одному виді. В цьому процесі всі види зберігаються відразу і нескінченну кількість часу до тих пір, поки не буде порушена фізична операція. У макроскопічному рівновазі відбуваються абсолютно точні збалансовані обміни. Вище наведені доказ - це фізичне пояснення даного поняття.

Основи

Кожні закони, теореми, формули мають свої основи. Давайте розберемо 3 основи закону фазового рівноваги.

Фаза являє собою форму матерії, однорідну за хімічним складом, фізичним станом і механічної рівноваги. Типові фази - тверді, рідкі та газоподібні. Дві незмішувані рідини (або рідкі суміші з різними складами), розділені окремої кордоном, вважаються двома різними фазами і не змішуваними твердими частинками.

Кількість компонентів ( З ) - це кількість хімічно незалежних складових системи. Мінімальна кількість незалежних видів, необхідних для визначення складу всіх фаз системи.

Число ступенів свободи ( F у цьому контексті - це число інтенсивних змінних, які не залежать один від одного.

Класифікація фазових рівноваг

Реакції суцільного чистого перенесення (часто звані твердофазними реакціями) відбуваються між твердими матеріями різного складу. Вони можуть включати елементи, виявлені у рідинах (H, C), але ці елементи зберігаються в твердих фазах, так що в якості реагентів чи продуктів не задіяні рідкі фази (H 2 O, CO 2 ). Тверді реакції чистого переносу можуть бути безперервними або переривчастими, а також термінальними.

Поліморфні являють собою особливий тип твердофазної реакції, яка включає фази ідентичного складу. Класичними прикладами є реакції між силікатів алюмінію кіаніт-силіманіт-андалузит, перетворення графіту в алмаз при високому тиску і рівновагу карбонату кальцію.

Закони рівноваги

Фабричне правило Гіббса було запропоновано Іосією Уіллардом Гіббсом в його знаменитій статті під назвою «Рівновага гетерогенних речовин», яка виходила у світ з 1875 по 1878 роки. Воно застосовується до нереакционноспособним багатокомпонентних гетерогенних систем у термодинамічній рівновазі і є заданим рівнянням:

F = C-P+2;

де F – число ступенів свободи;

C – число компонент;

P - число фаз в термодинамічній рівновазі один з одним.

Число ступенів свободи - це кількість незайнятих інтенсивних змінних. Найбільша кількість термодинамічних параметрів, таких як температура або тиск, які можуть змінюватись одночасно і довільно, не торкаючись один одного. Прикладом однокомпонентної системи є система з одним чистим хімічною речовиною, а двокомпонентні, такі як суміші води і етанолу, мають два незалежних компонент. Типовими фазовими переходами (рівновага фаз) є тверді речовини, рідини, гази.

Фазовий правило при постійному тиску

Для додатків в області матеріалознавства, що стосуються фазових змін між різними твердими структурами, часто виникає постійний тиск (наприклад, в одній атмосфері) і ігнорується як ступінь свободи, тому правило стає таким: F = C - P + 1. Іноді вводять цю формулу під назвою «правило з конденсованою фазою», але, як ми знаємо, воно не застосовується до даних систем, які схильні до високих тисків (наприклад, у геології), оскільки наслідки цих тисків можуть спричинити катастрофічні наслідки. Може здатися, що фазове рівновагу - просто порожній звук, і мало в яких фізичних процесах цей момент задіяний, але, як ми побачили, без нього багато знайомих нам закони не працюють, тому треба трішечки ознайомитися з цими унікальними, барвистими, хоч і трохи нудним правилами. Ці знання допомогли багатьом людям. Вони навчилися застосовувати їх до себе, наприклад, електрики, знаючи правила роботи з фазами, можуть захистити себе від зайвої небезпеки.