Meidän aikanamme fysiikasta on tullut hyvin yleinen tiede. Se on kirjaimellisesti läsnä kaikkialla. Kaikkein alkeellisin esimerkki: pihallasi kasvaa omenapuu ja siinä kypsyvät hedelmät, tulee aika ja omenat alkavat pudota, mutta mihin suuntaan ne putoavat? Universaalin painovoiman lain ansiosta sikiömme putoaa maahan, eli se laskeutuu, mutta ei ylös. Se oli yksi tunnetuimmista esimerkeistä fysiikasta, mutta kiinnitetäänpä huomiota termodynamiikkaan tai tarkemmin sanottuna vaihetasapainoon, jotka eivät ole yhtä tärkeitä elämässämme.
Termodynamiikka
Katsotaanpa ensin tätä termiä. ΘερΜοδυναΜική - tältä sana näyttää kreikaksi. Ensimmäinen osa ΘερΜo tarkoittaa "lämpöä" ja toinen δυναΜική tarkoittaa "voimaa". Termodynamiikka on fysiikan haara, joka tutkii makroskooppisen järjestelmän ominaisuuksia sekä erilaisia tapoja muuntaa ja siirtää energiaa. Tässä osiossa tutkitaan erityisesti erilaisia tiloja ja prosesseja, jotta lämpötilan käsite voidaan tuoda kuvaukseen (tämä on fysikaalinen suure, joka luonnehtii termodynaamista järjestelmää ja mitataan käyttämällätietyt laitteet). Kaikki termodynaamisissa järjestelmissä käynnissä olevat prosessit kuvataan vain mikroskooppisilla suureilla (paine ja lämpötila sekä komponenttien pitoisuudet).
Clapeyron-Clausius-yhtälö
Jokainen fyysikko tietää tämän yhtälön, mutta puretaan se pala pal alta. Se viittaa tasapainoprosesseihin tietyn aineen siirtyessä faasista toiseen. Tämä näkyy selvästi tällaisissa esimerkeissä: sulatus, haihdutus, sublimaatio (yksi tuotteiden säilytystavoista, joka tapahtuu poistamalla kosteus kokonaan). Kaava näyttää selkeästi käynnissä olevat prosessit:
- n=PV/RT;
- jossa T on aineen lämpötila;
- P-paine;
- R-ominaisuuskohtainen vaihemuutoslämpö;
- V-muutos tietyssä äänenvoimakkuudessa.
Yhtälön luomisen historia
Clausius-Clapeyron-yhtälö on erinomainen matemaattinen selitys termodynamiikan toiselle pääsäännölle. Kutsutaan myös "Clausiuksen epätasa-arvoksi". Lauseen on luonnollisesti kehittänyt tiedemies itse, joka halusi selittää järjestelmän lämpövirran ja entropian sekä sen ympäristön välisen suhteen. Clausius kehitti tämän yhtälön yrittäessään selittää ja kvantifioida entropiaa. Kirjaimellisessa mielessä lause antaa meille mahdollisuuden määrittää, onko syklinen prosessi palautuva vai irreversiibeli. Tämä eriarvoisuus tarjoaa meille kvantitatiivisen kaavan toisen lain ymmärtämiseksi.
Tutkija oli yksi ensimmäisistä, joka työskenteli entropian idean parissa ja jopa antoi senprosessin nimi. Se, mikä nykyään tunnetaan nimellä Clausiuksen lause, julkaistiin ensimmäisen kerran vuonna 1862 Rudolfin kuudennessa teoksessa On the Use of the Transformation Equivalence Theorem for Interior Work. Tiedemies yritti osoittaa suhteellista suhdetta entropian ja energiavirran välillä lämmittämällä (δ Q) järjestelmässä. Rakentamisessa tämä lämpöenergia voidaan muuttaa työksi ja se voidaan muuntaa lämmöksi syklisessä prosessissa. Rudolph osoitti, että "kaikkien syklisessä prosessissa tapahtuvien muunnosten algebrallinen summa voi olla vain pienempi kuin nolla tai äärimmäisissä tapauksissa yhtä suuri kuin nolla."
Suljettu eristetty järjestelmä
Eristetty järjestelmä on jokin seuraavista:
- Fyysinen järjestelmä on kaukana muista, jotka eivät ole vuorovaikutuksessa niiden kanssa.
- Termodynaaminen järjestelmä on suljettu jäykillä liikkumattomilla seinillä, joiden läpi ei aine eikä energia pääse kulkemaan.
Huolimatta siitä, että kohde liittyy sisäisesti omaan painovoimaansa, eristetty järjestelmä viedään yleensä ulkoisten gravitaatiovoimien ja muiden etäisten voimien rajojen ulkopuolelle.
Tätä voidaan verrata siihen, mitä (termodynamiikassa käytetyssä yleisemmässä terminologiassa) kutsutaan suljetuksi järjestelmäksi, jota ympäröivät selektiiviset seinät, joiden läpi energiaa voidaan siirtää lämmön tai työn muodossa, mutta ei aineena. Ja avoimella järjestelmällä, jossa ainetta ja energiaa tulee sisään tai sieltä poistuu, vaikka siinä voi olla erilaisia läpäisemättömiä seiniäosia sen rajoista.
Eristetty järjestelmä noudattaa suojelulakia. Useimmiten termodynamiikassa ainetta ja energiaa pidetään erillisinä käsitteinä.
Termodynaamiset siirtymät
Kvanttivaihemuutosten ymmärtämiseksi on hyödyllistä verrata niitä klassisiin muunnoksiin (kutsutaan myös termisiksi inversioiksi). CPT kuvaa järjestelmän termodynaamisten ominaisuuksien huippua. Se merkitsee hiukkasten uudelleenorganisoitumista. Tyypillinen esimerkki on veden jäätymissiirtymä, joka kuvaa tasaista siirtymää nesteen ja kiinteän aineen välillä. Klassiset vaihekasvut johtuvat kilpailusta järjestelmän energian ja sen lämpövaihteluiden entropian välillä.
Klassisessa järjestelmässä ei ole entropiaa nollalämpötilassa, joten vaihemuutosta ei voi tapahtua. Niiden järjestyksen määrää ensimmäinen epäjatkuva johdannainen termodynaaminen potentiaali. Ja tietysti sillä on ensimmäinen tilaus. Vaihemuunnokset ferromagneetista paramagneetiksi ovat jatkuvia ja toisen kertaluvun muutoksia. Nämä jatkuvat muutokset järjestetystä vaiheesta häiriöttömään vaiheeseen kuvataan järjestysparametrilla, joka on nolla. Yllä olevalle ferromagneettiselle muunnokselle järjestysparametri on järjestelmän kokonaismagnetoituminen.
Gibbsin potentiaali
Gibbs Free Energy on suurin työmäärä ilman laajenemista, joka voidaan poistaa termodynaamisesta suljetusta järjestelmästä (joka voi vaihtaa lämpöä ja työskennellä ympäristön kanssa). SellainenMaksimitulos voidaan saavuttaa vain täysin palautuvassa prosessissa. Kun järjestelmä muuttuu takaisin ensimmäisestä tilasta toiseen, Gibbsin vapaan energian vähennys on yhtä suuri kuin järjestelmän ympäristössä suorittama vähennys, josta on vähennetty painevoimien työ.
Tasapainot
Termodynaaminen ja mekaaninen tasapaino on termodynamiikan aksiomaattinen käsite. Tämä on yhden tai useamman järjestelmän sisäinen tila, jotka on yhdistetty enemmän tai vähemmän läpäisemättömillä tai läpäisemättömillä seinillä. Tässä tilassa ei ole puhtaita makroskooppisia aine- tai energiavirtoja järjestelmän sisällä tai järjestelmien välillä.
Omaan käsitykseensä sisäisen tasapainon tilasta makroskooppista muutosta ei tapahdu. Järjestelmät ovat samanaikaisesti keskinäisessä termisessä, mekaanisessa, kemiallisessa (vakio) ja säteilytasapainossa. Ne voivat olla samassa muodossa. Tässä prosessissa kaikki näkymät tallennetaan kerralla ja toistaiseksi, kunnes fyysinen toiminta katkeaa. Makroskooppisessa tasapainossa tapahtuu täysin tarkkaa tasapainotettua vaihtoa. Yllä oleva todiste on tämän käsitteen fyysinen selitys.
Perusasiat
Jokaisella laeilla, lauseilla ja kaavoilla on omat perusteensa. Katsotaanpa vaihetasapainon lain kolmea perustaa.
- Faasi on aineen muoto, jonka kemiallinen koostumus, fysikaalinen tila ja mekaaninen tasapaino on homogeeninen. Tyypillisiä faaseja ovat kiinteät, nestemäiset ja kaasumaiset. Kahta erillisellä rajalla erotettua sekoittumatonta nestettä (tai nesteseosta, joilla on eri koostumus) katsotaan kahdeksi erilliseksi faasiksi ja sekoittumattomaksi kiintoaineeksi.
- Osien lukumäärä (C) on järjestelmän kemiallisesti riippumattomien komponenttien lukumäärä. Riippumattomien lajien vähimmäismäärä, joka tarvitaan järjestelmän kaikkien vaiheiden koostumuksen määrittämiseen.
- Vapausasteiden lukumäärä (F) on tässä yhteydessä intensiivisten muuttujien lukumäärä, jotka ovat toisistaan riippumattomia.
Luokittelu vaihetasapainon mukaan
- Jatkuvan nettosiirron reaktioita (kutsutaan usein kiinteän olomuodon reaktioksi) tapahtuu koostumukseltaan eri kiinteiden aineiden välillä. Ne voivat sisältää nesteissä esiintyviä alkuaineita (H, C), mutta nämä alkuaineet säilyvät kiinteissä faaseissa, joten nestefaasit eivät ole mukana lähtöaineina tai tuotteina (H2O, CO2). Kiinteät puhtaat siirtoreaktiot voivat olla jatkuvia tai epäjatkuvia tai terminaalisia.
- Polymorfiset ovat erityinen kiinteäfaasireaktio, joka sisältää koostumukseltaan samanlaisia faaseja. Klassisia esimerkkejä ovat alumiinisilikaattien kyaniitti-sillimaniitti-andalusiitin väliset reaktiot, grafiitin muuttuminen timantiksi korkeassa paineessa ja kalsiumkarbonaatin tasapaino.
Tasapainon lait
Gibbsin tehdassääntöä ehdotti Josiah Willard Gibbs kuuluisassa artikkelissaan "The Equilibrium of Heterogeneous Substances", joka ilmestyi vuosina 1875–1878. Se koskeeei-reaktiiviset monikomponenttiset heterogeeniset järjestelmät termodynaamisessa tasapainossa ja on annettu yhtälö:
- F=C-P+2;
- jossa F on vapausasteiden lukumäärä;
- C – komponenttien lukumäärä;
- P - termodynaamisessa tasapainossa olevien vaiheiden lukumäärä keskenään.
Vapausasteiden lukumäärä on tyhjien intensiivisten muuttujien lukumäärä. Suurin määrä termodynaamisia parametreja, kuten lämpötila tai paine, jotka voivat vaihdella samanaikaisesti ja mieliv altaisesti vaikuttamatta toisiinsa. Esimerkki yksikomponenttisesta järjestelmästä on järjestelmä, jossa on yksi puhdas kemikaali, kun taas kaksikomponenttisissa järjestelmissä, kuten veden ja etanolin seokset, on kaksi itsenäistä komponenttia. Tyypillisiä faasisiirtymiä (faasitasapaino) ovat kiinteät aineet, nesteet, kaasut.
Vaihesääntö vakiopaineessa
Materiaalitieteen sovelluksissa, jotka käsittelevät eri kiinteiden rakenteiden välisiä faasimuutoksia, esiintyy usein jatkuvaa painetta (esim. yksi ilmakehä) ja se jätetään huomiotta vapausasteena, joten säännöksi tulee: F=C - P + 1.
Tämä kaava otetaan joskus käyttöön nimellä "kondensoidun vaiheen sääntö", mutta kuten tiedämme, se ei sovellu näihin järjestelmiin, jotka ovat alttiina korkeille paineille (esimerkiksi geologiassa), koska näiden seuraukset paineet voivat aiheuttaa katastrofaalisia seurauksia.
Saattaa vaikuttaa siltä, että vaihetasapaino on vain tyhjä lause, ja harvoissa fysikaalisissa prosesseissa tämä hetkion mukana, mutta kuten olemme nähneet, monet tuntemamme lait eivät toimi ilman sitä, joten sinun on tutustuttava hieman näihin ainutlaatuisiin, värikkäisiin, vaikkakin hieman tylsiin sääntöihin. Tämä tieto on auttanut monia ihmisiä. He oppivat soveltamaan niitä itseensä, esimerkiksi sähköasentajat voivat suojautua tarpeettomilta vaaroilta tietäen vaiheiden kanssa työskentelyn säännöt.