Në kohën tonë, fizika është bërë një shkencë shumë e zakonshme. Ajo është fjalë për fjalë e pranishme kudo. Shembulli më elementar: një pemë molle rritet në oborrin tuaj dhe frutat piqen mbi të, vjen koha dhe mollët fillojnë të bien, por në çfarë drejtimi bien? Falë ligjit të gravitetit universal, fetusi ynë bie në tokë, domethënë zbret, por jo lart. Ishte një nga shembujt më të famshëm të fizikës, por le t'i kushtojmë vëmendje termodinamikës, ose më saktë, ekuilibrave të fazave, të cilat nuk janë më pak të rëndësishme në jetën tonë.
Termodinamika
Së pari, le të shohim këtë term. ΘερΜοδυναΜική - kështu duket fjala në greqisht. Pjesa e parë ΘερΜo do të thotë "ngrohtësi", dhe e dyta δυναΜική do të thotë "forcë". Termodinamika është një degë e fizikës që studion vetitë e një sistemi makroskopik, si dhe mënyra të ndryshme të konvertimit dhe transferimit të energjisë. Në këtë seksion, gjendjet dhe proceset e ndryshme janë studiuar posaçërisht në mënyrë që koncepti i temperaturës të mund të futet në përshkrim (kjo është një sasi fizike që karakterizon një sistem termodinamik dhe matet duke përdorurpajisje të caktuara). Të gjitha proceset e vazhdueshme në sistemet termodinamike përshkruhen vetëm nga sasitë mikroskopike (presioni dhe temperatura, si dhe përqendrimi i përbërësve).
ekuacioni Clapeyron-Clausius
Çdo fizikan e di këtë ekuacion, por le ta zbërthejmë atë pjesë-pjesë. Ai i referohet proceseve të ekuilibrit të kalimit të një lënde të caktuar nga një fazë në tjetrën. Kjo shihet qartë në shembuj të tillë: shkrirja, avullimi, sublimimi (një nga mënyrat e ruajtjes së produkteve, që bëhet duke hequr plotësisht lagështinë). Formula tregon qartë proceset në vazhdim:
- n=PV/RT;
- ku T është temperatura e substancës;
- P-presioni;
- Nxehtësia specifike R e tranzicionit fazor;
- V-ndryshim në vëllim specifik.
Historia e krijimit të ekuacionit
Ekuacioni Clausius-Clapeyron është një shpjegim i shkëlqyer matematikor i ligjit të dytë të termodinamikës. Gjithashtu i referuar si "pabarazia e Clausius". Natyrisht, teorema u zhvillua nga vetë shkencëtari, i cili donte të shpjegonte marrëdhënien midis rrjedhës së nxehtësisë në sistem dhe entropisë, si dhe mjedisin e tij. Ky ekuacion u zhvillua nga Clausius në përpjekjet e tij për të shpjeguar dhe për të përcaktuar sasinë e entropisë. Në kuptimin literal, teorema na jep mundësinë të përcaktojmë nëse një proces ciklik është i kthyeshëm apo i pakthyeshëm. Kjo pabarazi na ofron një formulë sasiore për të kuptuar ligjin e dytë.
Shkencëtari ishte një nga të parët që punoi mbi idenë e entropisë, madje e dha atëemri i procesit. Ajo që tani njihet si teorema e Clausius-it u botua për herë të parë në 1862 në veprën e gjashtë të Rudolfit, Mbi përdorimin e teoremës së ekuivalencës së transformimit për punën e brendshme. Shkencëtari u përpoq të tregonte një marrëdhënie proporcionale midis entropisë dhe rrjedhës së energjisë duke ngrohur (δ Q) në sistem. Në ndërtim, kjo energji termike mund të shndërrohet në punë dhe mund të shndërrohet në nxehtësi përmes një procesi ciklik. Rudolph vërtetoi se "shuma algjebrike e të gjitha transformimeve që ndodhin në një proces ciklik mund të jetë vetëm më pak se zero ose, në raste ekstreme, e barabartë me zero."
Sistemi i mbyllur i izoluar
Sistemi i izoluar është një nga këto:
- Sistemi fizik është larg nga të tjerët që nuk ndërveprojnë me ta.
- Sistemi termodinamik është i mbyllur nga mure të ngurtë të palëvizshme nëpër të cilat nuk mund të kalojë as materia as energjia.
Pavarësisht faktit se subjekti është i lidhur nga brenda me gravitetin e tij, një sistem i izoluar zakonisht merret përtej kufijve të forcave të jashtme gravitacionale dhe forcave të tjera të largëta.
Kjo mund të krahasohet me atë që (në terminologjinë më të përgjithshme të përdorur në termodinamikë) quhet një sistem i mbyllur i rrethuar nga mure selektive përmes të cilave energjia mund të transferohet në formën e nxehtësisë ose punës, por jo materie. Dhe me një sistem të hapur në të cilin materia dhe energjia hyjnë ose dalin, megjithëse mund të ketë mure të ndryshme të padepërtueshme nëpjesë të kufijve të saj.
Një sistem i izoluar i bindet ligjit të ruajtjes. Më shpesh në termodinamikë, materia dhe energjia konsiderohen si koncepte të veçanta.
Tranzicionet termodinamike
Për të kuptuar tranzicionet e fazës kuantike, është e dobishme t'i krahasojmë ato me transformimet klasike (të quajtura edhe inversione termike). CPT përshkruan kufirin në vetitë termodinamike të një sistemi. Ai sinjalizon riorganizimin e grimcave. Një shembull tipik është kalimi i ngrirjes së ujit, i cili përshkruan një tranzicion të qetë midis një lëngu dhe një të ngurtë. Rritjet e fazës klasike janë për shkak të konkurrencës midis energjisë së sistemit dhe entropisë së luhatjeve të tij termike.
Një sistem klasik nuk ka entropi në temperaturën zero dhe për këtë arsye nuk mund të ndodhë asnjë transformim fazor. Rendi i tyre përcaktohet nga potenciali termodinamik i derivatit të parë të ndërprerë. Dhe, sigurisht, ka rendin e parë. Transformimet fazore nga një ferromagnet në një paramagnet janë të vazhdueshme dhe të rendit të dytë. Këto ndryshime konstante nga një fazë e renditur në një fazë të çrregullt përshkruhen nga një parametër i rendit që është zero. Për transformimin ferromagnetik të mësipërm, parametri i rendit do të jetë magnetizimi total i sistemit.
Potenciali i Gibbs
Energjia e Lirë Gibbs është sasia maksimale e punës pa zgjerim që mund të hiqet nga një sistem i mbyllur termodinamik (që mund të shkëmbejë nxehtësi dhe të punojë me mjedisin). Të tillërezultati maksimal mund të merret vetëm në një proces plotësisht të kthyeshëm. Kur sistemi kthehet nga gjendja e parë në të dytin, reduktimi i energjisë së lirë Gibbs është i barabartë me atë të kryer nga sistemi në mjedisin e tij, minus punën e forcave të presionit.
Gjendjet e ekuilibrit
Ekuilibri termodinamik dhe mekanik është një koncept aksiomatik i termodinamikës. Kjo është gjendja e brendshme e një ose më shumë sistemeve që lidhen me mure pak a shumë të depërtueshëm ose të papërshkueshëm. Në këtë gjendje, nuk ka rrjedha të pastra makroskopike të materies ose energjisë, qoftë brenda një sistemi ose ndërmjet sistemeve.
Në konceptimin e vet të gjendjes së ekuilibrit të brendshëm, ndryshimi makroskopik nuk ndodh. Sistemet janë njëkohësisht në ekuilibra të ndërsjellë termike, mekanike, kimike (konstante), rrezatuese. Mund të jenë në të njëjtën formë. Në këtë proces, të gjitha pamjet ruhen menjëherë dhe për një kohë të pacaktuar derisa operacioni fizik të prishet. Në ekuilibrin makroskopik, ndodhin shkëmbime të balancuara plotësisht të sakta. Prova e mësipërme është një shpjegim fizik i këtij koncepti.
Bazat
Çdo ligj, teoremë, formula ka themelet e veta. Le të shohim 3 themelet e ligjit të ekuilibrit fazor.
- Faza është një formë materies, homogjene në përbërjen kimike, gjendjen fizike dhe ekuilibrin mekanik. Fazat tipike janë të ngurta, të lëngëta dhe të gazta. Dy lëngje të papërziershme (ose përzierje të lëngshme me përbërje të ndryshme) të ndara nga një kufi i veçantë konsiderohen si dy faza të dallueshme dhe trupa të ngurtë të papërziershëm.
- Numri i komponentëve (C) është numri i përbërësve kimikisht të pavarur të sistemit. Numri minimal i specieve të pavarura të nevojshme për të përcaktuar përbërjen e të gjitha fazave të sistemit.
- Numri i shkallëve të lirisë (F) në këtë kontekst është numri i variablave intensivë që janë të pavarur nga njëri-tjetri.
Klasifikimi sipas ekuilibrave fazor
- Reaksionet e transferimit të vazhdueshëm neto (shpesh të quajtura reaksione të gjendjes së ngurtë) ndodhin ndërmjet lëndëve të ngurta me përbërje të ndryshme. Ato mund të përfshijnë elementë që gjenden në lëngje (H, C), por këta elementë mbahen në faza të ngurta, kështu që asnjë fazë e lëngshme nuk përfshihet si reaktantë ose produkte (H2O, CO2). Reaksionet e transferimit të pastër të ngurtë mund të jenë të vazhdueshme ose të ndërprera, ose terminale.
- Polymorphic janë një lloj i veçantë i reaksionit të fazës së ngurtë që përfshin faza me përbërje identike. Shembuj klasikë janë reaksionet ndërmjet silikateve të aluminit kianit-sillimanit-andaluzit, shndërrimi i grafitit në diamant në presion të lartë dhe ekuilibri i karbonatit të kalciumit.
Ligjet e ekuilibrit
Rregulli i Fabrikës Gibbs u propozua nga Josiah Willard Gibbs në punimin e tij të famshëm të titulluar "Ekuilibri i substancave heterogjene", i cili u shfaq nga 1875 deri në 1878. Ajo vlen përsisteme heterogjene shumëkomponente jo-reaktive në ekuilibër termodinamik dhe është një barazi e dhënë:
- F=C-P+2;
- ku F është numri i shkallëve të lirisë;
- C – numri i komponentëve;
- P - numri i fazave në ekuilibrin termodinamik me njëra-tjetrën.
Numri i shkallëve të lirisë është numri i variablave intensivë të papushtuar. Numri më i madh i parametrave termodinamikë, si temperatura ose presioni, që mund të ndryshojnë njëkohësisht dhe në mënyrë arbitrare pa ndikuar njëri-tjetrin. Një shembull i një sistemi me një përbërës është ai me një kimik të vetëm të pastër, ndërsa sistemet me dy përbërës, si përzierjet e ujit dhe etanolit, kanë dy përbërës të pavarur. Tranzicionet tipike fazore (ekuilibri fazor) janë trupat e ngurtë, lëngët, gazrat.
Rregulli i fazës në presion konstant
Për aplikimet në shkencën e materialeve që kanë të bëjnë me ndryshimet fazore midis strukturave të ndryshme të ngurta, shpesh ndodh një presion konstant (p.sh. një atmosferë) dhe injorohet si një shkallë lirie, kështu që rregulli bëhet: F=C - P + 1.
Kjo formulë nganjëherë futet nën emrin "rregulli i fazës së kondensuar", por siç e dimë, nuk është e zbatueshme për këto sisteme që janë subjekt i presioneve të larta (për shembull, në gjeologji), pasi pasojat e këtyre presionet mund të shkaktojnë pasoja katastrofike.
Mund të duket se ekuilibri fazor është thjesht një frazë boshe dhe ka pak procese fizike në të cilat ky momentështë përfshirë, por, siç e kemi parë, pa të, shumë nga ligjet që ne njohim nuk funksionojnë, kështu që ju duhet të njiheni pak me këto rregulla unike, shumëngjyrëshe, ndonëse pak të mërzitshme. Kjo njohuri ka ndihmuar shumë njerëz. Ata mësuan se si t'i zbatojnë ato për veten e tyre, për shembull, elektricistët, duke ditur rregullat për të punuar me faza, mund të mbrohen nga rreziku i panevojshëm.
