V našej dobe sa fyzika stala veľmi bežnou vedou. Je doslova všade prítomný. Najzákladnejší príklad: na vašom dvore rastie jabloň a na nej dozrieva ovocie, príde čas a jablká začnú padať, ale akým smerom padajú? Vďaka zákonu univerzálnej gravitácie náš plod padá na zem, teda klesá, ale nie hore. Bol to jeden z najznámejších príkladov fyziky, no venujme pozornosť termodynamike, presnejšie fázovým rovnováhám, ktoré sú v našom živote nemenej dôležité.
Termodynamika
V prvom rade sa pozrime na tento výraz. ΘερΜοδυναΜική – takto vyzerá slovo v gréčtine. Prvá časť ΘερΜo znamená „teplo“a druhá δυναΜική znamená „sila“. Termodynamika je oblasť fyziky, ktorá študuje vlastnosti makroskopického systému, ako aj rôzne spôsoby premeny a prenosu energie. V tejto časti sa špeciálne študujú rôzne stavy a procesy, aby sa do popisu mohol zaviesť pojem teplota (ide o fyzikálnu veličinu, ktorá charakterizuje termodynamický systém a meria sa pomocouniektoré spotrebiče). Všetky prebiehajúce procesy v termodynamických systémoch sú popísané iba mikroskopickými veličinami (tlak a teplota, ako aj koncentrácia komponentov).
Clapeyron-Clausiusova rovnica
Túto rovnicu pozná každý fyzik, ale poďme si ju rozobrať kúsok po kúsku. Vzťahuje sa na rovnovážne procesy prechodu určitej hmoty z jednej fázy do druhej. To je jasne vidieť na takýchto príkladoch: tavenie, vyparovanie, sublimácia (jeden zo spôsobov konzervácie produktov, ktorý prebieha úplným odstránením vlhkosti). Vzorec jasne ukazuje prebiehajúce procesy:
- n=PV/RT;
- kde T je teplota látky;
- P-tlak;
- R-špecifické teplo fázového prechodu;
- V-zmena konkrétneho objemu.
História vytvorenia rovnice
Clasius-Clapeyronova rovnica je vynikajúcim matematickým vysvetlením druhého zákona termodynamiky. Označuje sa tiež ako „Clausiova nerovnosť“. Prirodzene, teorém bol vyvinutý samotným vedcom, ktorý chcel vysvetliť vzťah medzi tepelným tokom v systéme a entropiou, ako aj jeho prostredím. Túto rovnicu vyvinul Clausius vo svojich pokusoch vysvetliť a kvantifikovať entropiu. V doslovnom zmysle nám veta dáva možnosť určiť, či je cyklický proces reverzibilný alebo ireverzibilný. Táto nerovnosť nám ponúka kvantitatívny vzorec na pochopenie druhého zákona.
Vedec bol jedným z prvých, ktorí pracovali na myšlienke entropie, a dokonca ju dalnázov procesu. To, čo je dnes známe ako Clausiova veta, bolo prvýkrát publikované v roku 1862 v šiestom Rudolfovom diele O použití teorému o ekvivalencii transformácie pre vnútornú prácu. Vedec sa pokúsil ukázať proporcionálny vzťah medzi entropiou a tokom energie zahrievaním (δ Q) v systéme. V stavebníctve sa táto tepelná energia môže premeniť na prácu a cyklickým procesom sa môže premeniť na teplo. Rudolph dokázal, že „algebraický súčet všetkých transformácií vyskytujúcich sa v cyklickom procese môže byť iba menší ako nula alebo v extrémnych prípadoch rovný nule.“
Uzavretý izolovaný systém
Izolovaný systém je jeden z nasledujúcich:
- Fyzický systém je ďaleko od iných, ktoré s nimi neinteragujú.
- Termodynamický systém je uzavretý pevnými nepohyblivými stenami, cez ktoré neprejde hmota ani energia.
Napriek tomu, že subjekt je vnútorne spojený s vlastnou gravitáciou, izolovaný systém sa zvyčajne dostane za hranice vonkajších gravitačných a iných vzdialených síl.
To môže byť v kontraste s tým, čo sa (vo všeobecnejšej terminológii používanej v termodynamike) nazýva uzavretý systém obklopený selektívnymi stenami, cez ktoré sa môže prenášať energia vo forme tepla alebo práce, ale nie hmoty. A s otvoreným systémom, do ktorého hmota a energia vstupuje alebo vystupuje, hoci môže mať v sebe rôzne nepreniknuteľné stenyčasti jeho hraníc.
Izolovaný systém dodržiava zákon ochrany. V termodynamike sa hmota a energia najčastejšie považujú za samostatné pojmy.
Termodynamické prechody
Na pochopenie kvantových fázových prechodov je užitočné porovnať ich s klasickými transformáciami (nazývanými aj tepelné inverzie). CPT popisuje vrchol termodynamických vlastností systému. Signalizuje reorganizáciu častíc. Typickým príkladom je mrazový prechod vody, ktorý popisuje plynulý prechod medzi kvapalinou a pevnou látkou. Klasické fázové rasty sú spôsobené konkurenciou medzi energiou systému a entropiou jeho tepelných fluktuácií.
Klasický systém nemá pri nulovej teplote žiadnu entropiu, a preto nemôže nastať žiadna fázová transformácia. Ich poradie je určené prvým nespojitým derivačným termodynamickým potenciálom. A, samozrejme, má prvé poradie. Fázové premeny z feromagnetika na paramagnet sú spojité a druhého rádu. Tieto konštantné zmeny z usporiadanej do neusporiadanej fázy sú opísané parametrom poriadku, ktorý je nulový. Pre vyššie uvedenú feromagnetickú transformáciu bude parametrom objednávky celková magnetizácia systému.
Gibbsov potenciál
Gibbsova voľná energia je maximálne množstvo práce bez expanzie, ktorú možno odstrániť z termodynamického uzavretého systému (ktorý dokáže vymieňať teplo a pracovať s prostredím). Takétomaximálny výsledok možno dosiahnuť iba v úplne reverzibilnom procese. Keď sa systém transformuje späť z prvého stavu do druhého, zníženie Gibbsovej voľnej energie sa rovná zníženiu, ktoré vykoná systém vo svojom prostredí, mínus práca tlakových síl.
Stavy bilancie
Termodynamická a mechanická rovnováha je axiomatická koncepcia termodynamiky. Ide o vnútorný stav jedného alebo viacerých systémov, ktoré sú spojené viac alebo menej priepustnými alebo nepriepustnými stenami. V tomto stave neexistujú žiadne čisté makroskopické toky hmoty alebo energie, či už v rámci systému alebo medzi systémami.
V jeho vlastnej koncepcii stavu vnútornej rovnováhy nenastáva makroskopická zmena. Systémy sú súčasne vo vzájomnej tepelnej, mechanickej, chemickej (konštantnej), radiačnej rovnováhe. Môžu byť v rovnakej forme. V tomto procese sa všetky zobrazenia uložia naraz a na dobu neurčitú, kým sa fyzická operácia nepreruší. V makroskopickej rovnováhe prebiehajú dokonale presné vyvážené výmeny. Vyššie uvedený dôkaz je fyzickým vysvetlením tohto konceptu.
Základy
Každý zákon, veta, vzorec má svoj vlastný základ. Pozrime sa na 3 základy zákona o fázovej rovnováhe.
- Fáza je forma hmoty, homogénna v chemickom zložení, fyzikálnom stave a mechanickej rovnováhe. Typické fázy sú tuhá, kvapalná a plynná. Dve nemiešateľné kvapaliny (alebo kvapalné zmesi s rôznym zložením) oddelené samostatnou hranicou sa považujú za dve odlišné fázy a nemiešateľné tuhé látky.
- Počet komponentov (C) je počet chemicky nezávislých komponentov systému. Minimálny počet nezávislých druhov požadovaných na určenie zloženia všetkých fáz systému.
- Počet stupňov voľnosti (F) v tomto kontexte je počet intenzívnych premenných, ktoré sú na sebe nezávislé.
Klasifikácia podľa fázových rovnováh
- Reakcie kontinuálneho čistého prenosu (často nazývané reakcie v tuhom stave) sa vyskytujú medzi pevnými látkami rôzneho zloženia. Môžu zahŕňať prvky nachádzajúce sa v kvapalinách (H, C), ale tieto prvky sú zadržané v pevných fázach, takže žiadne kvapalné fázy nie sú zahrnuté ako reaktanty alebo produkty (H2O, CO2). Tuhé čisté prenosové reakcie môžu byť kontinuálne alebo diskontinuálne alebo terminálne.
- Polymorfné sú špeciálnym typom reakcie v tuhej fáze, ktorá zahŕňa fázy rovnakého zloženia. Klasickými príkladmi sú reakcie medzi hlinitokremičitanmi kyanit-sillimanit-andaluzit, premena grafitu na diamant pri vysokom tlaku a rovnováha uhličitanu vápenatého.
Zákony rovnováhy
Pravidlo Gibbsovej továrne navrhol Josiah Willard Gibbs vo svojom slávnom článku s názvom „Equilibrium of Heterogeneous Substances“, ktorý vyšiel v rokoch 1875 až 1878. Vzťahuje sa nanereaktívne viaczložkové heterogénne systémy v termodynamickej rovnováhe a je daná rovnosťou:
- F=C-P+2;
- kde F je počet stupňov voľnosti;
- C – počet komponentov;
- P - počet fáz vo vzájomnej termodynamickej rovnováhe.
Počet stupňov voľnosti je počet neobsadených intenzívnych premenných. Najväčší počet termodynamických parametrov, ako je teplota alebo tlak, ktoré sa môžu meniť súčasne a ľubovoľne bez toho, aby sa navzájom ovplyvňovali. Príkladom jednozložkového systému je systém s jednou čistou chemikáliou, zatiaľ čo dvojzložkové systémy, ako sú zmesi vody a etanolu, majú dve nezávislé zložky. Typické fázové prechody (fázová rovnováha) sú pevné látky, kvapaliny, plyny.
Pravidlo fázy pri konštantnom tlaku
Pri aplikáciách v materiálovej vede, ktoré sa zaoberajú fázovými zmenami medzi rôznymi pevnými štruktúrami, sa často vyskytuje konštantný tlak (napr. jedna atmosféra) a ignoruje sa ako stupeň voľnosti, takže pravidlo sa stáva: F=C - P + 1.
Tento vzorec sa niekedy uvádza pod názvom „pravidlo kondenzovanej fázy“, ale ako vieme, nie je použiteľný pre tieto systémy, ktoré sú vystavené vysokým tlakom (napríklad v geológii), pretože dôsledky týchto tlaky môžu spôsobiť katastrofálne následky.
Môže sa zdať, že fázová rovnováha je len prázdna fráza a existuje len málo fyzikálnych procesov, v ktorých tento momentje zapojená, ale ako sme videli, bez nej mnohé zákony, ktoré poznáme, nefungujú, takže sa musíte trochu zoznámiť s týmito jedinečnými, farebnými, aj keď trochu nudnými pravidlami. Toto poznanie pomohlo mnohým ľuďom. Naučili sa, ako ich aplikovať na seba, napríklad elektrikári, ktorí poznajú pravidlá pre prácu s fázami, sa môžu chrániť pred zbytočným nebezpečenstvom.
