În vremea noastră, fizica a devenit o știință foarte comună. Este literalmente prezent peste tot. Cel mai elementar exemplu: un măr crește în curtea ta, iar fructele se coc pe el, vine timpul și merele încep să cadă, dar în ce direcție cad? Datorită legii gravitației universale, fătul nostru cade la pământ, adică coboară, dar nu în sus. A fost unul dintre cele mai faimoase exemple de fizică, dar să acordăm atenție termodinamicii, sau mai precis, echilibrelor de fază, care nu sunt mai puțin importante în viața noastră.
Termodinamică
În primul rând, să ne uităm la acest termen. ΘερΜοδυναΜική - așa arată cuvântul în greacă. Prima parte ΘερΜo înseamnă „căldura”, iar a doua δυναΜική înseamnă „putere”. Termodinamica este o ramură a fizicii care studiază proprietățile unui sistem macroscopic, precum și diferite moduri de conversie și transfer de energie. În această secțiune, sunt studiate în mod special diferite stări și procese, astfel încât conceptul de temperatură să poată fi introdus în descriere (aceasta este o mărime fizică care caracterizează un sistem termodinamic și se măsoară folosindanumite aparate). Toate procesele aflate în desfășurare în sistemele termodinamice sunt descrise numai prin mărimi microscopice (presiunea și temperatura, precum și concentrația componentelor).
Ecuația Clapeyron-Clausius
Orice fizician cunoaște această ecuație, dar haideți să o descompunem bucată cu bucată. Se referă la procesele de echilibru ale tranziției anumitor materii de la o fază la alta. Acest lucru se vede clar în astfel de exemple: topire, evaporare, sublimare (una dintre modalitățile de conservare a produselor, care are loc prin îndepărtarea completă a umezelii). Formula arată clar procesele în curs:
- n=PV/RT;
- unde T este temperatura substanței;
- Presiune P;
- R-specifica caldura de tranzitie de faza;
- V-modificare a anumitor volum.
Istoria creării ecuației
Ecuația Clausius-Clapeyron este o excelentă explicație matematică a celei de-a doua legi a termodinamicii. Denumită și „inegalitatea Clausius”. Desigur, teorema a fost dezvoltată de însuși om de știință, care a vrut să explice relația dintre fluxul de căldură din sistem și entropie, precum și mediul său. Această ecuație a fost dezvoltată de Clausius în încercările sale de a explica și cuantifica entropia. În sensul literal, teorema ne oferă posibilitatea de a determina dacă un proces ciclic este reversibil sau ireversibil. Această inegalitate ne oferă o formulă cantitativă pentru înțelegerea celei de-a doua legi.
Omul de știință a fost unul dintre primii care a lucrat la ideea de entropie și chiar a dat-onumele procesului. Ceea ce acum este cunoscut sub numele de teorema lui Clausius a fost publicat pentru prima dată în 1862 în cea de-a șasea lucrare a lui Rudolf, Despre utilizarea teoremei de echivalență a transformării pentru lucrările de interior. Omul de știință a încercat să arate o relație proporțională între entropie și fluxul de energie prin încălzire (δ Q) în sistem. În construcții, această energie termică poate fi transformată în muncă și poate fi transformată în căldură printr-un proces ciclic. Rudolph a demonstrat că „suma algebrică a tuturor transformărilor care au loc într-un proces ciclic nu poate fi decât mai mică decât zero sau, în cazuri extreme, egală cu zero.”
Sistem izolat închis
Sistemul izolat este unul dintre următoarele:
- Sistemul fizic este departe de alții care nu interacționează cu ele.
- Sistemul termodinamic este închis de pereți rigidi imobili prin care nu pot trece nici materia, nici energia.
În ciuda faptului că subiectul este legat în interior de propria sa gravitație, un sistem izolat este de obicei dus dincolo de limitele gravitaționale externe și ale altor forțe îndepărtate.
Acest lucru poate fi pus în contrast cu ceea ce (în terminologia mai generală folosită în termodinamică) se numește un sistem închis, înconjurat de pereți selectivi prin care energia poate fi transferată sub formă de căldură sau muncă, dar nu materie. Și cu un sistem deschis în care materia și energia intră sau iese, deși poate avea diverși pereți impenetrabili înpărți ale granițelor sale.
Un sistem izolat se supune legii conservării. Cel mai adesea în termodinamică, materia și energia sunt considerate concepte separate.
Tranziții termodinamice
Pentru a înțelege tranzițiile de fază cuantică, este util să le comparați cu transformările clasice (numite și inversiuni termice). CPT descrie cuspidul proprietăților termodinamice ale unui sistem. Semnalizează reorganizarea particulelor. Un exemplu tipic este tranziția la îngheț a apei, care descrie o tranziție lină între un lichid și un solid. Creșterile clasice de fază se datorează competiției dintre energia sistemului și entropia fluctuațiilor sale termice.
Un sistem clasic nu are entropie la temperatura zero și, prin urmare, nu poate avea loc nicio transformare de fază. Ordinea lor este determinată de primul potențial termodinamic derivat discontinuu. Și, desigur, are prima comandă. Transformările de fază de la un feromagnet la un paramagnet sunt continue și de ordinul doi. Aceste schimbări constante de la o fază ordonată la una dezordonată sunt descrise de un parametru de ordine care este zero. Pentru transformarea feromagnetică de mai sus, parametrul de comandă va fi magnetizarea totală a sistemului.
Gibbs potential
Energia liberă Gibbs este cantitatea maximă de lucru fără expansiune care poate fi îndepărtată dintr-un sistem închis termodinamic (care poate schimba căldură și poate lucra cu mediul). Astfel derezultatul maxim poate fi obţinut numai într-un proces complet reversibil. Când sistemul se transformă înapoi din prima stare în a doua, reducerea energiei libere Gibbs este egală cu cea realizată de sistem în mediul său, minus munca forțelor de presiune.
Stări de echilibru
Echilibrul termodinamic și mecanic este un concept axiomatic al termodinamicii. Aceasta este starea internă a unuia sau mai multor sisteme care sunt conectate prin pereți mai mult sau mai puțin permeabili sau impermeabili. În această stare, nu există fluxuri macroscopice pure de materie sau energie, fie în interiorul unui sistem, fie între sisteme.
În propria sa concepție despre starea de echilibru intern, schimbarea macroscopică nu are loc. Sistemele se află simultan în echilibru reciproc termic, mecanic, chimic (constante), de radiație. Ele pot fi în aceeași formă. În acest proces, toate vizualizările sunt salvate simultan și pe termen nelimitat până când operațiunea fizică este întreruptă. În echilibrul macroscopic, au loc schimburi echilibrate perfect precise. Dovada de mai sus este o explicație fizică a acestui concept.
Noțiuni de bază
Fiecare lege, teoremă, formulă are propriile baze. Să ne uităm la cele 3 fundamente ale legii echilibrului de fază.
- Faza este o formă de materie, omogenă ca compoziție chimică, stare fizică și echilibru mecanic. Fazele tipice sunt solide, lichide și gazoase. Două lichide nemiscibile (sau amestecuri lichide cu compoziții diferite) separate printr-o limită separată sunt considerate două faze distincte și solide nemiscibile.
- Numărul de componente (C) este numărul de componente independente din punct de vedere chimic ale sistemului. Numărul minim de specii independente necesare pentru a determina compoziția tuturor fazelor sistemului.
- Numărul de grade de libertate (F) în acest context este numărul de variabile intensive care sunt independente unele de altele.
Clasificare după echilibre de fază
- Reacțiile de transfer net continuu (numite adesea reacții în stare solidă) au loc între materie solidă de compoziție diferită. Ele pot include elemente care se găsesc în lichide (H, C), dar aceste elemente sunt reținute în faze solide, deci nu sunt implicate faze lichide ca reactanți sau produse (H2O, CO2). Reacțiile de transfer pur solid pot fi continue sau discontinue sau terminale.
- Polimorfele sunt un tip special de reacție în fază solidă care include faze de compoziție identică. Exemple clasice sunt reacțiile dintre silicații de aluminiu cianit-silimanit-andaluzit, conversia grafitului în diamant la presiune ridicată și echilibrul carbonatului de calciu.
Legile echilibrului
Regula fabricii Gibbs a fost propusă de Josiah Willard Gibbs în celebra sa lucrare intitulată „Echilibrul substanțelor eterogene”, care a apărut între 1875 și 1878. Se aplică lasisteme eterogene multicomponente nereactive în echilibru termodinamic și este o egalitate dată:
- F=C-P+2;
- unde F este numărul de grade de libertate;
- C – numărul de componente;
- P - numărul de faze aflate în echilibru termodinamic între ele.
Numărul de grade de libertate este numărul de variabile intensive neocupate. Cel mai mare număr de parametri termodinamici, cum ar fi temperatura sau presiunea, care pot varia simultan și arbitrar fără a se afecta reciproc. Un exemplu de sistem cu o singură componentă este unul cu o singură substanță chimică pură, în timp ce sistemele cu două componente, cum ar fi amestecurile de apă și etanol, au două componente independente. Tranzițiile tipice de fază (echilibru de fază) sunt solide, lichide, gaze.
Regula fazei la presiune constantă
Pentru aplicațiile în știința materialelor care se ocupă de schimbări de fază între diferite structuri solide, apare adesea o presiune constantă (de exemplu, o atmosferă) și este ignorată ca grad de libertate, astfel încât regula devine: F=C - P + 1.
Această formulă este uneori introdusă sub denumirea de „regula fazei condensate”, dar, după cum știm, nu este aplicabilă acestor sisteme care sunt supuse unor presiuni mari (de exemplu, în geologie), deoarece consecințele acestor presiunile pot provoca consecințe catastrofale.
Se poate părea că echilibrul de fază este doar o frază goală și există puține procese fizice în care acest momenteste implicat, dar, după cum am văzut, fără el, multe dintre legile pe care le cunoaștem nu funcționează, așa că trebuie să vă familiarizați puțin cu aceste reguli unice, colorate, deși puțin plictisitoare. Această cunoaștere a ajutat mulți oameni. Au învățat cum să le aplice singuri, de exemplu, electricienii, cunoscând regulile de lucru cu faze, se pot proteja de pericole inutile.
