U našem vremenu, fizika je postala vrlo uobičajena nauka. Doslovno je prisutan svuda. Najelementarniji primjer: u vašem dvorištu raste stablo jabuke i na njemu sazrijevaju plodovi, dolazi vrijeme i jabuke počinju da padaju, ali u kom smjeru padaju? Zahvaljujući zakonu univerzalne gravitacije, naš fetus pada na tlo, odnosno ide dolje, ali ne i gore. Bio je to jedan od najpoznatijih primjera fizike, ali obratimo pažnju na termodinamiku, tačnije, na fazne ravnoteže, koje nisu ništa manje važne u našem životu.
Termodinamika
Pre svega, pogledajmo ovaj termin. ΘερΜοδυναΜική - ovako ta riječ izgleda na grčkom. Prvi dio ΘερΜo znači "toplina", a drugi dio δυναΜική znači "snaga". Termodinamika je grana fizike koja proučava svojstva makroskopskog sistema, kao i različite načine pretvaranja i prijenosa energije. U ovom odeljku se posebno proučavaju različita stanja i procesi kako bi se u opis mogao uvesti pojam temperature (ovo je fizička veličina koja karakteriše termodinamički sistem i meri se pomoćuodređene uređaje). Svi tekući procesi u termodinamičkim sistemima opisuju se samo mikroskopskim veličinama (pritisak i temperatura, kao i koncentracija komponenti).
Clapeyron-Clausiusova jednadžba
Svaki fizičar zna ovu jednačinu, ali hajde da je razbijemo dio po dio. Odnosi se na ravnotežne procese prelaska određene materije iz jedne faze u drugu. To se jasno vidi na ovakvim primjerima: topljenje, isparavanje, sublimacija (jedan od načina očuvanja proizvoda, koji se odvija potpunim uklanjanjem vlage). Formula jasno pokazuje tekuće procese:
- n=PV/RT;
- gdje je T temperatura supstance;
- P-pritisak;
- R-specifična toplota faznog prijelaza;
- V-promjena određene količine.
Historija stvaranja jednadžbe
Clausius-Clapeyronova jednadžba je odlično matematičko objašnjenje drugog zakona termodinamike. Takođe se naziva "Klauzijeva nejednakost". Naravno, teoremu je razvio sam naučnik, koji je želeo da objasni odnos između toplotnog toka u sistemu i entropije, kao i njegovog okruženja. Ovu jednačinu razvio je Clausius u svojim pokušajima da objasni i kvantifikuje entropiju. U doslovnom smislu, teorema nam daje priliku da odredimo da li je ciklički proces reverzibilan ili nepovratan. Ova nejednakost nam nudi kvantitativnu formulu za razumijevanje drugog zakona.
Naučnik je bio jedan od prvih koji je radio na ideji entropije, pa ju je čak i daonaziv procesa. Ono što je danas poznato kao Clausiusova teorema prvi put je objavljeno 1862. godine u Rudolfovom šestom djelu, O upotrebi teoreme o ekvivalentnosti transformacije za unutrašnje radove. Naučnik je pokušao da pokaže proporcionalnu vezu između entropije i protoka energije zagrevanjem (δ Q) u sistemu. U građevinarstvu se ova toplotna energija može pretvoriti u rad, a može se transformisati u toplotu kroz ciklički proces. Rudolph je dokazao da "algebarski zbir svih transformacija koje se dešavaju u cikličkom procesu može biti samo manji od nule ili, u ekstremnim slučajevima, jednak nuli."
Zatvoreni izolovani sistem
Izolovani sistem je jedan od sledećih:
- Fizički sistem je daleko od drugih koji ne stupaju u interakciju s njima.
- Termodinamički sistem zatvoren je čvrstim nepokretnim zidovima kroz koje ne mogu proći ni materija ni energija.
Uprkos činjenici da je subjekt interno povezan sa vlastitom gravitacijom, izolovani sistem se obično uzima izvan granica vanjskih gravitacijskih i drugih udaljenih sila.
Ovo se može suprotstaviti onome što se (u opštoj terminologiji koja se koristi u termodinamici) naziva zatvorenim sistemom okruženim selektivnim zidovima kroz koje se energija može prenositi u obliku toplote ili rada, ali ne i materije. I sa otvorenim sistemom u kojem materija i energija ulaze ili izlaze, iako može imati razne neprobojne zidovedijelovi njenih granica.
Izolovani sistem poštuje zakon očuvanja. Najčešće se u termodinamici materija i energija smatraju zasebnim konceptima.
Termodinamički prijelazi
Da bi se razumjeli kvantni fazni prijelazi, korisno je uporediti ih sa klasičnim transformacijama (koji se također nazivaju termičke inverzije). CPT opisuje vrhunac termodinamičkih svojstava sistema. To signalizira reorganizaciju čestica. Tipičan primjer je prijelaz smrzavanja vode, koji opisuje glatki prijelaz između tekućine i čvrste tvari. Klasični fazni rast je rezultat nadmetanja između energije sistema i entropije njegovih toplotnih fluktuacija.
Klasični sistem nema entropiju na nultoj temperaturi i stoga ne može doći do fazne transformacije. Njihov redoslijed je određen prvim diskontinuiranim derivatom termodinamičkog potencijala. I, naravno, ima prvi red. Fazne transformacije iz feromagneta u paramagnet su kontinuirane i drugog reda. Ove konstantne promjene iz uređene u nesređenu fazu opisuju se parametrom reda koji je nula. Za gornju feromagnetsku transformaciju, parametar reda će biti ukupna magnetizacija sistema.
Gibbs potencijal
Gibbs Free Energy je maksimalna količina rada bez ekspanzije koja se može ukloniti iz termodinamičkog zatvorenog sistema (koji može razmjenjivati toplinu i raditi sa okolinom). Takvemaksimalni rezultat može se postići samo u potpuno reverzibilnom procesu. Kada se sistem ponovo transformiše iz prvog stanja u drugo, smanjenje Gibbsove slobodne energije je jednako onoj koju izvrši sistem u svom okruženju, minus rad sila pritiska.
Stanje bilansa
Termodinamička i mehanička ravnoteža je aksiomatski koncept termodinamike. Ovo je unutrašnje stanje jednog ili više sistema koji su povezani manje ili više propusnim ili nepropusnim zidovima. U ovom stanju ne postoje čisti makroskopski tokovi materije ili energije, bilo unutar sistema ili između sistema.
U sopstvenoj koncepciji stanja unutrašnje ravnoteže, makroskopska promena se ne dešava. Sistemi su istovremeno u međusobnoj termičkoj, mehaničkoj, hemijskoj (konstantnoj), radijacijskoj ravnoteži. Mogu biti u istom obliku. U ovom procesu, svi pogledi se spremaju odjednom i na neograničeno vrijeme dok se fizička operacija ne prekine. U makroskopskoj ravnoteži odvijaju se savršeno precizne uravnotežene razmjene. Gornji dokaz je fizičko objašnjenje ovog koncepta.
Osnove
Svaki zakoni, teoreme, formule imaju svoje temelje. Pogledajmo 3 osnove zakona fazne ravnoteže.
- Faza je oblik materije, homogen po hemijskom sastavu, fizičkom stanju i mehaničkoj ravnoteži. Tipične faze su čvrste, tečne i gasovite. Dve tečnosti koje se ne mešaju (ili tečne mešavine sa različitim sastavima) odvojene posebnom granicom smatraju se dvema različitim fazama i čvrstim materijama koje se ne mešaju.
- Broj komponenti (C) je broj hemijski nezavisnih komponenti sistema. Minimalni broj nezavisnih vrsta potreban za određivanje sastava svih faza sistema.
- Broj stepeni slobode (F) u ovom kontekstu je broj intenzivnih varijabli koje su nezavisne jedna od druge.
Klasifikacija po faznoj ravnoteži
- Reakcije kontinuiranog neto prijenosa (često se nazivaju reakcijama čvrstog stanja) javljaju se između čvrstih tvari različitog sastava. Oni mogu uključivati elemente koji se nalaze u tekućinama (H, C), ali ovi elementi se zadržavaju u čvrstim fazama, tako da tečne faze nisu uključene kao reaktanti ili produkti (H2O, CO2). Čvrste čiste reakcije prijenosa mogu biti kontinuirane ili diskontinuirane, ili terminalne.
- Polimorfni su posebna vrsta reakcije čvrste faze koja uključuje faze identičnog sastava. Klasični primjeri su reakcije između aluminijskih silikata kijanit-silimanit-andaluzit, konverzija grafita u dijamant pod visokim pritiskom i ravnoteža kalcijum karbonata.
Zakoni ravnoteže
Gibbsovo fabričko pravilo predložio je Josiah Willard Gibbs u svom poznatom radu pod nazivom "Ekvilibrijum heterogenih supstanci", koji se pojavio od 1875. do 1878. godine. To se odnosi nanereaktivni višekomponentni heterogeni sistemi u termodinamičkoj ravnoteži i data je jednakost:
- F=C-P+2;
- gdje je F broj stupnjeva slobode;
- C – broj komponenti;
- P - broj faza u termodinamičkoj ravnoteži jedna s drugom.
Broj stepeni slobode je broj nezauzetih intenzivnih varijabli. Najveći broj termodinamičkih parametara, kao što su temperatura ili pritisak, koji mogu da variraju istovremeno i proizvoljno bez uticaja jedni na druge. Primer jednokomponentnog sistema je sistem sa jednom čistom hemikalijom, dok dvokomponentni sistemi, kao što su mešavine vode i etanola, imaju dve nezavisne komponente. Tipični fazni prijelazi (fazna ravnoteža) su čvrste tvari, tekućine, plinovi.
Pravilo faze pri konstantnom pritisku
Za primjene u nauci o materijalima koje se bave faznim promjenama između različitih čvrstih struktura, često se javlja konstantan pritisak (npr. jedna atmosfera) i zanemaruje se kao stepen slobode, pa pravilo postaje: F=C - P + 1.
Ova formula se ponekad uvodi pod nazivom "pravilo kondenzovane faze", ali kao što znamo, nije primenljiva na ove sisteme koji su podložni visokim pritiscima (na primer, u geologiji), jer posledice ovih pritisci mogu uzrokovati katastrofalne posljedice.
Može se činiti da je fazna ravnoteža samo prazna fraza, a postoji nekoliko fizičkih procesa u kojima ovaj trenutakje uključen, ali, kao što smo vidjeli, bez njega mnogi zakoni koje poznajemo ne funkcionišu, pa se morate malo upoznati s ovim jedinstvenim, šarenim, iako pomalo dosadnim pravilima. Ovo znanje je pomoglo mnogim ljudima. Naučili su kako ih primijeniti na sebe, na primjer, električari, poznavajući pravila za rad sa fazama, mogu se zaštititi od nepotrebne opasnosti.
