O secțiune importantă a termodinamicii este studiul transformărilor dintre diferitele faze ale unei substanțe, deoarece aceste procese au loc în practică și au o importanță fundamentală pentru prezicerea comportamentului unui sistem în anumite condiții. Aceste transformări se numesc tranziții de fază, cărora le este dedicat articolul.
Conceptul unei faze și al unei componente de sistem
Înainte de a trece la considerarea tranzițiilor de fază în fizică, este necesar să se definească conceptul de fază în sine. După cum se știe din cursul fizicii generale, există trei stări ale materiei: gazoasă, solidă și lichidă. Într-o secțiune specială a științei - în termodinamică - legile sunt formulate pentru fazele materiei, și nu pentru stările lor de agregare. O fază este înțeleasă ca un anumit volum de materie care are o structură omogenă, se caracterizează prin proprietăți fizice și chimice specifice și este separată de restul materiei prin limite, care se numesc interfaze.
Astfel, conceptul de „fază” conține informații mult mai semnificative practic despre proprietățimaterie decât starea ei de agregare. De exemplu, starea solidă a unui metal, cum ar fi fierul, poate fi în următoarele faze: cubic centrat pe corp magnetic la temperatură joasă (BCC), bcc nemagnetic la temperatură joasă, cubic centrat pe față (fcc) și cubic în alt. temperatură nemagnetică bcc.
Pe lângă conceptul de „fază”, legile termodinamicii folosesc și termenul de „componente”, care înseamnă numărul de elemente chimice care alcătuiesc un anumit sistem. Aceasta înseamnă că faza poate fi fie monocomponentă (1 element chimic) fie multicomponentă (mai multe elemente chimice).
Teorema lui Gibbs și echilibrul între fazele sistemului
Pentru a înțelege tranzițiile de fază, este necesar să se cunoască condițiile de echilibru dintre ele. Aceste condiții pot fi obținute matematic prin rezolvarea sistemului de ecuații Gibbs pentru fiecare dintre ele, presupunând că starea de echilibru este atinsă atunci când energia Gibbs totală a sistemului izolat de influența externă încetează să se schimbe.
Ca urmare a rezolvării sistemului de ecuații indicat, se obțin condiții de existență a echilibrului între mai multe faze: un sistem izolat va înceta să evolueze numai atunci când presiunile, potențialele chimice ale fiecărei componente și temperaturile în toate fazele. sunt egali unul cu celăl alt.
Regula fazei Gibbs pentru echilibru
Un sistem format din mai multe faze și componente poate fi în echilibru nu numaiîn anumite condiții, de exemplu, la o anumită temperatură și presiune. Unele dintre variabilele din teorema Gibbs pentru echilibru pot fi modificate menținând atât numărul de faze, cât și numărul de componente care se află în acest echilibru. Numărul de variabile care pot fi modificate fără a perturba echilibrul în sistem se numește numărul de libertăți ale acestui sistem.
Numărul de libertăți l ale unui sistem format din f faze și k componente este determinat în mod unic din regula fazei Gibbs. Această regulă este scrisă matematic după cum urmează: l + f=k + 2. Cum se lucrează cu această regulă? Foarte simplu. De exemplu, se știe că sistemul este format din f=3 faze de echilibru. Care este numărul minim de componente pe care un astfel de sistem poate conține? Puteți răspunde la întrebare raționând astfel: în cazul echilibrului, condițiile cele mai stricte există atunci când se realizează numai la anumiți indicatori, adică o modificare a oricărui parametru termodinamic va duce la dezechilibru. Aceasta înseamnă că numărul de libertăți l=0. Înlocuind valorile cunoscute ale lui l și f, obținem k=1, adică un sistem în care trei faze sunt în echilibru poate fi format dintr-o componentă. Un prim exemplu este punctul triplu al apei, unde gheața, apa lichidă și aburul există în echilibru la anumite temperaturi și presiuni.
Clasificarea transformărilor de fază
Dacă începi să schimbi niște parametri termodinamici într-un sistem în echilibru, poți observa cum va dispărea o fază și va apărea alta. Un exemplu simplu al acestui proces este topirea gheții atunci când este încălzită.
Având în vedere că ecuația lui Gibbs depinde doar de două variabile (presiune și temperatură), iar tranziția de fază implică o modificare a acestor variabile, atunci matematic tranziția între faze poate fi descrisă prin diferențierea energiei Gibbs în raport cu ea. variabile. Această abordare a fost folosită de fizicianul austriac Paul Ehrenfest în 1933, când a alcătuit o clasificare a tuturor proceselor termodinamice cunoscute care apar cu o schimbare a echilibrului de fază.
Din elementele de bază ale termodinamicii rezultă că prima derivată a energiei Gibbs în raport cu temperatura este egală cu modificarea entropiei sistemului. Derivata energiei Gibbs în raport cu presiunea este egală cu modificarea volumului. Dacă, atunci când fazele din sistem se modifică, entropia sau volumul suferă o întrerupere, adică se schimbă brusc, atunci se vorbește despre o tranziție de fază de ordinul întâi.
În plus, derivatele secunde ale energiei Gibbs în raport cu temperatură și presiune sunt capacitatea termică și, respectiv, coeficientul de dilatare volumetrică. Dacă transformarea între faze este însoțită de o discontinuitate în valorile mărimilor fizice indicate, atunci se vorbește de o tranziție de fază de ordinul doi.
Exemple de transformări între faze
Există un număr mare de tranziții diferite în natură. În cadrul acestei clasificări, exemple izbitoare de tranziții de primul fel sunt procesele de topire a metalelor sau de condensare a vaporilor de apă din aer, când există un s alt de volum în sistem.
Dacă vorbim despre tranziții de ordinul doi, atunci exemple izbitoare sunt transformarea fierului dintr-o stare magnetică într-o stare paramagnetică la o temperatură768 ºC sau transformarea unui conductor metalic într-o stare supraconductoare la temperaturi apropiate de zero absolut.
Ecuații care descriu tranzițiile de primul fel
În practică, este adesea necesar să se cunoască modul în care temperatura, presiunea și energia absorbită (eliberată) se modifică într-un sistem atunci când au loc transformări de fază în acesta. Două ecuații importante sunt utilizate în acest scop. Ele sunt obținute pe baza cunoștințelor de bază ale termodinamicii:
- Formula lui Clapeyron, care stabilește relația dintre presiune și temperatură în timpul transformărilor dintre diferite faze.
- Formula Clausius care leagă energia absorbită (eliberată) și temperatura sistemului în timpul transformării.
Utilizarea ambelor ecuații nu este doar în obținerea dependențelor cantitative ale mărimilor fizice, ci și în determinarea semnului pantei curbelor de echilibru pe diagramele de fază.
Ecuație pentru descrierea tranzițiilor de al doilea fel
Tranzițiile de fază de primul și al doilea fel sunt descrise prin ecuații diferite, deoarece aplicarea ecuațiilor Clausius și Clausius pentru tranzițiile de ordinul doi duce la incertitudine matematică.
Pentru a-i descrie pe acesta din urmă, se folosesc ecuațiile Ehrenfest, care stabilesc o relație între modificările de presiune și temperatură prin cunoașterea modificărilor capacității termice și a coeficientului de dilatare volumetrică în timpul procesului de transformare. Ecuațiile Ehrenfest sunt folosite pentru a descrie tranzițiile conductor-superconductor în absența unui câmp magnetic.
Importanțădiagrame de fază
Diagramele de fază sunt o reprezentare grafică a zonelor în care fazele corespunzătoare există în echilibru. Aceste zone sunt separate prin linii de echilibru între faze. Diagramele de fază P-T (presiune-temperatura), T-V (temperatura-volum) și P-V (presiune-volum) sunt adesea folosite.
Importanța diagramelor de fază constă în faptul că vă permit să preziceți în ce fază se va afla sistemul atunci când condițiile externe se schimbă în consecință. Aceste informații sunt folosite în tratarea termică a diferitelor materiale pentru a obține o structură cu proprietățile dorite.
