Στην εποχή μας, η φυσική έχει γίνει μια πολύ κοινή επιστήμη. Κυριολεκτικά υπάρχει παντού. Το πιο στοιχειώδες παράδειγμα: μια μηλιά φυτρώνει στην αυλή σας και ωριμάζουν τα φρούτα πάνω της, έρχεται η ώρα και τα μήλα αρχίζουν να πέφτουν, αλλά προς ποια κατεύθυνση πέφτουν; Χάρη στον νόμο της παγκόσμιας έλξης, το έμβρυό μας πέφτει στο έδαφος, δηλαδή κατεβαίνει, αλλά όχι προς τα πάνω. Ήταν ένα από τα πιο διάσημα παραδείγματα φυσικής, αλλά ας δώσουμε προσοχή στη θερμοδυναμική, ή πιο συγκεκριμένα, στις ισορροπίες φάσεων, που δεν είναι λιγότερο σημαντικές στη ζωή μας.
Θερμοδυναμική
Πρώτα απ' όλα, ας δούμε αυτόν τον όρο. ΘερΜοδυναΜική - έτσι φαίνεται η λέξη στα ελληνικά. Το πρώτο μέρος ΘερΜo σημαίνει «ζεστασιά», και το δεύτερο δυναμική σημαίνει «δύναμη». Η θερμοδυναμική είναι ένας κλάδος της φυσικής που μελετά τις ιδιότητες ενός μακροσκοπικού συστήματος, καθώς και διάφορους τρόπους μετατροπής και μεταφοράς ενέργειας. Σε αυτή την ενότητα, διάφορες καταστάσεις και διεργασίες μελετώνται ειδικά, έτσι ώστε η έννοια της θερμοκρασίας να μπορεί να εισαχθεί στην περιγραφή (αυτή είναι μια φυσική ποσότητα που χαρακτηρίζει ένα θερμοδυναμικό σύστημα και μετράται χρησιμοποιώνταςορισμένες συσκευές). Όλες οι συνεχιζόμενες διεργασίες σε θερμοδυναμικά συστήματα περιγράφονται μόνο με μικροσκοπικές ποσότητες (πίεση και θερμοκρασία, καθώς και η συγκέντρωση των συστατικών).
Εξίσωση Clapeyron-Clausius
Κάθε φυσικός γνωρίζει αυτήν την εξίσωση, αλλά ας την αναλύσουμε κομμάτι-κομμάτι. Αναφέρεται στις διαδικασίες ισορροπίας της μετάβασης ορισμένης ύλης από τη μια φάση στην άλλη. Αυτό φαίνεται ξεκάθαρα σε τέτοια παραδείγματα: τήξη, εξάτμιση, εξάχνωση (ένας από τους τρόπους διατήρησης των προϊόντων, που πραγματοποιείται με την πλήρη αφαίρεση της υγρασίας). Ο τύπος δείχνει ξεκάθαρα τις συνεχιζόμενες διαδικασίες:
- n=PV/RT;
- όπου T είναι η θερμοκρασία της ουσίας;
- P-πίεση;
- R-ειδική θερμότητα μετάβασης φάσης;
- V-αλλαγή σε συγκεκριμένο τόμο.
Η ιστορία της δημιουργίας της εξίσωσης
Η εξίσωση Clausius-Clapeyron είναι μια εξαιρετική μαθηματική εξήγηση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Αναφέρεται και ως «ανισότητα του Κλαούσιου». Φυσικά, το θεώρημα αναπτύχθηκε από τον ίδιο τον επιστήμονα, ο οποίος ήθελε να εξηγήσει τη σχέση μεταξύ της ροής θερμότητας στο σύστημα και της εντροπίας, καθώς και του περιβάλλοντος του. Αυτή η εξίσωση αναπτύχθηκε από τον Clausius στις προσπάθειές του να εξηγήσει και να ποσοτικοποιήσει την εντροπία. Με την κυριολεκτική έννοια, το θεώρημα μας δίνει την ευκαιρία να προσδιορίσουμε εάν μια κυκλική διαδικασία είναι αναστρέψιμη ή μη αναστρέψιμη. Αυτή η ανισότητα μας προσφέρει έναν ποσοτικό τύπο για την κατανόηση του δεύτερου νόμου.
Ο επιστήμονας ήταν ένας από τους πρώτους που εργάστηκαν πάνω στην ιδέα της εντροπίας, και μάλιστα την έδωσεόνομα διαδικασίας. Αυτό που είναι σήμερα γνωστό ως θεώρημα του Clausius δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά το 1862 στο έκτο έργο του Rudolf, On the Use of the Transformation Equivalence Theorem for Interior Work. Ο επιστήμονας προσπάθησε να δείξει μια αναλογική σχέση μεταξύ της εντροπίας και της ροής ενέργειας με θέρμανση (δ Q) στο σύστημα. Στην κατασκευή, αυτή η θερμική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε εργασία και μπορεί να μετατραπεί σε θερμότητα μέσω μιας κυκλικής διαδικασίας. Ο Ρούντολφ απέδειξε ότι "το αλγεβρικό άθροισμα όλων των μετασχηματισμών που συμβαίνουν σε μια κυκλική διαδικασία μπορεί να είναι μόνο μικρότερο από μηδέν ή, σε ακραίες περιπτώσεις, ίσο με μηδέν."
Κλειστό απομονωμένο σύστημα
Το απομονωμένο σύστημα είναι ένα από τα ακόλουθα:
- Το φυσικό σύστημα απέχει πολύ από άλλα που δεν αλληλεπιδρούν μαζί τους.
- Το θερμοδυναμικό σύστημα κλείνεται από άκαμπτα ακίνητα τοιχώματα από τα οποία δεν μπορεί να περάσει ούτε ύλη ούτε ενέργεια.
Παρά το γεγονός ότι το θέμα σχετίζεται εσωτερικά με τη δική του βαρύτητα, ένα απομονωμένο σύστημα συνήθως λαμβάνεται πέρα από τα όρια της εξωτερικής βαρυτικής και άλλων απομακρυσμένων δυνάμεων.
Αυτό μπορεί να αντιπαραβληθεί με αυτό που (στη γενικότερη ορολογία που χρησιμοποιείται στη θερμοδυναμική) ονομάζεται κλειστό σύστημα που περιβάλλεται από επιλεκτικά τοιχώματα μέσω των οποίων η ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί με τη μορφή θερμότητας ή έργου, αλλά όχι ύλης. Και με ένα ανοιχτό σύστημα στο οποίο η ύλη και η ενέργεια εισέρχονται ή εξέρχονται, αν και μπορεί να έχει διάφορα αδιαπέραστα τοιχώματατμήματα των συνόρων του.
Ένα απομονωμένο σύστημα υπακούει στο νόμο διατήρησης. Τις περισσότερες φορές στη θερμοδυναμική, η ύλη και η ενέργεια θεωρούνται ξεχωριστές έννοιες.
Θερμοδυναμικές μεταβάσεις
Για να κατανοήσουμε τις κβαντικές μεταβάσεις φάσης, είναι χρήσιμο να τις συγκρίνουμε με τους κλασικούς μετασχηματισμούς (ονομάζονται επίσης θερμικές αναστροφές). Το CPT περιγράφει το άκρο στις θερμοδυναμικές ιδιότητες ενός συστήματος. Σηματοδοτεί την αναδιοργάνωση των σωματιδίων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η κατάψυξη μετάβασης του νερού, η οποία περιγράφει μια ομαλή μετάβαση μεταξύ υγρού και στερεού. Οι αυξήσεις της κλασικής φάσης οφείλονται στον ανταγωνισμό μεταξύ της ενέργειας του συστήματος και της εντροπίας των θερμικών του διακυμάνσεων.
Ένα κλασικό σύστημα δεν έχει εντροπία σε θερμοκρασία μηδέν και επομένως δεν μπορεί να συμβεί μετασχηματισμός φάσης. Η σειρά τους καθορίζεται από το πρώτο ασυνεχές θερμοδυναμικό δυναμικό παραγώγου. Και, φυσικά, έχει την πρώτη σειρά. Οι μετασχηματισμοί φάσης από σιδηρομαγνήτη σε παραμαγνήτη είναι συνεχείς και δεύτερης τάξης. Αυτές οι σταθερές αλλαγές από μια διατεταγμένη σε μια διαταραγμένη φάση περιγράφονται από μια παράμετρο τάξης που είναι μηδέν. Για τον παραπάνω σιδηρομαγνητικό μετασχηματισμό, η παράμετρος τάξης θα είναι η συνολική μαγνήτιση του συστήματος.
Δυνατότητα Gibbs
Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs είναι η μέγιστη ποσότητα εργασίας χωρίς διαστολή που μπορεί να αφαιρεθεί από ένα θερμοδυναμικό κλειστό σύστημα (που μπορεί να ανταλλάξει θερμότητα και να συνεργαστεί με το περιβάλλον). Τέτοιοςτο μέγιστο αποτέλεσμα μπορεί να επιτευχθεί μόνο με μια εντελώς αναστρέψιμη διαδικασία. Όταν το σύστημα μετατρέπεται από την πρώτη κατάσταση στη δεύτερη, η μείωση της ελεύθερης ενέργειας Gibbs είναι ίση με αυτή που εκτελείται από το σύστημα στο περιβάλλον του, μείον το έργο των δυνάμεων πίεσης.
Καταστάσεις ισοζυγίου
Η θερμοδυναμική και μηχανική ισορροπία είναι μια αξιωματική έννοια της θερμοδυναμικής. Αυτή είναι η εσωτερική κατάσταση ενός ή περισσότερων συστημάτων που συνδέονται με περισσότερο ή λιγότερο διαπερατά ή αδιαπέραστα τοιχώματα. Σε αυτήν την κατάσταση, δεν υπάρχουν καθαρές μακροσκοπικές ροές ύλης ή ενέργειας, είτε μέσα σε ένα σύστημα είτε μεταξύ συστημάτων.
Στη δική του αντίληψη για την κατάσταση της εσωτερικής ισορροπίας, η μακροσκοπική αλλαγή δεν συμβαίνει. Τα συστήματα βρίσκονται ταυτόχρονα σε αμοιβαίες ισορροπίες θερμικής, μηχανικής, χημικής (σταθερής), ακτινοβολίας. Μπορεί να έχουν την ίδια μορφή. Σε αυτή τη διαδικασία, όλες οι προβολές αποθηκεύονται ταυτόχρονα και επ' αόριστον μέχρι να διακοπεί η φυσική λειτουργία. Σε μακροσκοπική ισορροπία, πραγματοποιούνται απόλυτα ακριβείς ισορροπημένες ανταλλαγές. Η παραπάνω απόδειξη είναι μια φυσική εξήγηση αυτής της έννοιας.
Βασικά
Κάθε νόμος, θεωρήματα, τύποι έχουν τα δικά τους θεμέλια. Ας δούμε τα 3 θεμέλια του νόμου της ισορροπίας φάσης.
- Η Φάση είναι μια μορφή ύλης, ομοιογενής σε χημική σύσταση, φυσική κατάσταση και μηχανική ισορροπία. Οι τυπικές φάσεις είναι στερεές, υγρές και αέριες. Δύο μη αναμίξιμα υγρά (ή υγρά μείγματα με διαφορετικές συνθέσεις) που χωρίζονται από ένα ξεχωριστό όριο θεωρούνται δύο διακριτές φάσεις και μη αναμίξιμα στερεά.
- Ο αριθμός των συστατικών (C) είναι ο αριθμός των χημικά ανεξάρτητων στοιχείων του συστήματος. Ο ελάχιστος αριθμός ανεξάρτητων ειδών που απαιτείται για τον προσδιορισμό της σύνθεσης όλων των φάσεων του συστήματος.
- Ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας (F) σε αυτό το πλαίσιο είναι ο αριθμός των εντατικών μεταβλητών που είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους.
Ταξινόμηση κατά φασικές ισορροπίες
- Αντιδράσεις συνεχούς καθαρής μεταφοράς (συχνά αποκαλούμενες αντιδράσεις στερεάς κατάστασης) συμβαίνουν μεταξύ στερεής ύλης διαφορετικής σύστασης. Μπορεί να περιλαμβάνουν στοιχεία που βρίσκονται σε υγρά (H, C), αλλά αυτά τα στοιχεία διατηρούνται σε στερεές φάσεις, επομένως δεν εμπλέκονται υγρές φάσεις ως αντιδρώντα ή προϊόντα (H2O, CO2). Οι στερεές καθαρές αντιδράσεις μεταφοράς μπορεί να είναι συνεχείς ή ασυνεχείς ή τερματικές.
- Οι Οι πολυμορφικές είναι ένας ειδικός τύπος αντίδρασης στερεάς φάσης που περιλαμβάνει φάσεις ίδιας σύνθεσης. Κλασικά παραδείγματα είναι οι αντιδράσεις μεταξύ πυριτικών αλάτων αλουμινίου κυανίτη-σιλιμανίτη-ανδαλουσίτης, η μετατροπή του γραφίτη σε διαμάντι σε υψηλή πίεση και η ισορροπία του ανθρακικού ασβεστίου.
Νόμοι της ισορροπίας
Ο κανόνας του εργοστασίου Gibbs προτάθηκε από τον Josiah Willard Gibbs στη διάσημη εργασία του με τίτλο "The Equilibrium of Heterogeneous Substances", που εμφανίστηκε από το 1875 έως το 1878. Ισχύει γιαμη αντιδραστικά πολυσυστατικά ετερογενή συστήματα σε θερμοδυναμική ισορροπία και είναι μια δεδομένη ισότητα:
- F=C-P+2;
- όπου F είναι ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας;
- C – αριθμός στοιχείων;
- P - αριθμός φάσεων σε θερμοδυναμική ισορροπία μεταξύ τους.
Ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας είναι ο αριθμός των μη κατειλημμένων εντατικών μεταβλητών. Ο μεγαλύτερος αριθμός θερμοδυναμικών παραμέτρων, όπως η θερμοκρασία ή η πίεση, που μπορεί να ποικίλλει ταυτόχρονα και αυθαίρετα χωρίς να επηρεάζει η μία την άλλη. Ένα παράδειγμα συστήματος ενός συστατικού είναι ένα με ένα μόνο καθαρό χημικό, ενώ τα συστήματα δύο συστατικών, όπως μείγματα νερού και αιθανόλης, έχουν δύο ανεξάρτητα συστατικά. Τυπικές μεταβάσεις φάσης (ισορροπία φάσης) είναι στερεά, υγρά, αέρια.
Κανόνας φάσης σε σταθερή πίεση
Για εφαρμογές στην επιστήμη των υλικών που ασχολούνται με αλλαγές φάσης μεταξύ διαφορετικών στερεών δομών, εμφανίζεται συχνά μια σταθερή πίεση (π.χ. μια ατμόσφαιρα) και αγνοείται ως βαθμός ελευθερίας, επομένως ο κανόνας γίνεται: F=C - P + 1.
Αυτός ο τύπος εισάγεται μερικές φορές με την ονομασία "κανόνας συμπυκνωμένης φάσης", αλλά όπως γνωρίζουμε, δεν εφαρμόζεται σε αυτά τα συστήματα που υπόκεινται σε υψηλές πιέσεις (για παράδειγμα, στη γεωλογία), καθώς οι συνέπειες αυτών των οι πιέσεις μπορούν να προκαλέσουν καταστροφικές συνέπειες.
Μπορεί να φαίνεται ότι η ισορροπία φάσης είναι απλώς μια κενή φράση και υπάρχουν λίγες φυσικές διαδικασίες στις οποίες αυτή η στιγμήεμπλέκεται, αλλά, όπως είδαμε, χωρίς αυτό, πολλοί από τους νόμους που γνωρίζουμε δεν λειτουργούν, επομένως πρέπει να εξοικειωθείτε λίγο με αυτούς τους μοναδικούς, πολύχρωμους, αν και λίγο βαρετούς κανόνες. Αυτή η γνώση έχει βοηθήσει πολλούς ανθρώπους. Έμαθαν πώς να τα εφαρμόζουν στον εαυτό τους, για παράδειγμα, οι ηλεκτρολόγοι, γνωρίζοντας τους κανόνες για την εργασία με φάσεις, μπορούν να προστατευτούν από περιττούς κινδύνους.
