Fazno ravnotežje. Gibbsovo fazno pravilo

Danes je fizika postala zelo pogosta znanost. V dobesednem smislu je prisotna povsod. Najbolj osnovni primer: v vašem dvorišču raste jablano, in na njem pijejo sadje, čas prihaja in jabolka začne padati, ampak v kateri smeri padajo? Zahvaljujoč zakonu univerzalne gravitacije, naše sadje pade na tla, to pomeni, da gre navzdol, vendar ne navzgor. To je bil eden najbolj znanih primerov fizike, a bodimo pozorni na termodinamiko in natančneje na fazno ravnotežje, ki v našem življenju ni nič manj pomembno.

Termodinamika

Najprej si oglejmo ta izraz. Theta-epsilon-rho-mu-fe-delta-Upsilon-nu-alfa-mu-jota-kapa-ή- tako izgleda beseda v grškem jeziku. Prvi del Theta-epsilon-rho-mu-o pomeni "vročino" in drugo delta-upsilon-nu-alfa-mu-iota-kappa-ali;"moč". Termodinamika je veja fizike, ki proučuje lastnosti makroskopskega sistema in različne načine pretvorbe in prenosa energije. V tem poglavju se posebej proučujejo različna stanja in procesi, da se v opis prikaže koncept temperature (to je fizična količina, ki označuje termodinamični sistem in se meri s pomočjo določenih instrumentov). Vsi procesi, ki se pojavljajo v termodinamičnih sistemih, so opisani samo z mikroskopskimi količinami (tlak in temperatura, pa tudi koncentracija komponent).

Clapeyron-Clausiusova enačba

Vsak fizik pozna to enačbo, vendar ga analizirajmo v delih. Nanaša se na ravnovesne procese prehoda neke snovi iz ene faze v drugo. To je jasno razvidno iz takih primerov: taljenje, izhlapevanje, sublimacija (eden od načinov ohranjanja izdelkov, ki poteka skozi popolno odstranitev vlage). Formula jasno prikazuje postopke, ki potekajo:

• n = PV / RT;
• kjer je T temperatura snovi;
• P-tlak;
• R je specifična toplota faznega prehoda;
• V je sprememba določene prostornine.

Zgodovina enačbe

Clapeyron-Clausiusova enačba je odlična matematična razlaga drugega zakona termodinamike. Imenuje se tudi "Clausiusova neenakost". Seveda je izrek razvil sam znanstvenik, ki je želel razložiti razmerje med toplotnim tokom v sistemu in entropijo ter njegovo okolje. Ta enačba Clausius se je razvila v svojih poskusih razložiti entropijo in jo določiti v količinah. V dobesednem smislu izrek nam omogoča, da ugotovimo, ali je ciklični proces reverzibilen ali nepopravljiv. Ta neenakost nam ponuja kvantitativno formulo za razumevanje drugega zakona.

Znanstvenik je bil eden od prvih, ki je delal na ideji entropije in je celo dal temu procesu ime. Kaj je zdaj znana kot izrek Clausius, je bila prvič objavljena leta 1862 v šestem delu Rudolf "Na uporabe enakovrednosti preoblikovanje izreka za delo v notranjosti." Znanstvenik je poskušal pokazati sorazmerno razmerje med entropijo in pretokom energije s segrevanjem (delta- Q) v sistemu. Pri gradnji se lahko toplotna energija pretvori v delo in jo lahko skozi ciklični proces pretvori v toploto. Rudolph je dokazal, da "je algebarska vsota vseh transformacij, ki se pojavljajo v cikličnem procesu, lahko manjša od nič, v skrajnih primerih pa nič."

Zaprti izolirani sistem

Izoliran sistem je eno od naslednjih:

1. Fizični sistem je daleč od drugih, ki ne delujejo z njimi.
2. Termodinamični sistem je zaprt s trdnimi fiksnimi stenami, skozi katere ne more niti material niti energija.

Kljub dejstvu, da se subjekt notranje nanaša na svojo težo, se izolirani sistem običajno vzame zunaj meja zunanjih gravitacijskih in drugih oddaljenih sil.

To lahko primerjamo z dejstvom, da je (v bolj splošno terminologijo iz termodinamike) je zaprt sistem, selektivni moški stene, skozi katere lahko prenos energije v obliki toplote ali na delovnem mestu, vendar pa ni važno. In z odprtim sistemom, v katerega se vnaša ali izstopa snov in energija, čeprav ima lahko na različnih delih svojih meja različne neprepustne stene.

Izolirani sistem spoštuje zakon o ohranjanju. Najpogosteje v termodinamiki sta materija in energija obravnavani kot ločeni koncepti.

Termodinamski prehodi

Za razumevanje kvantnih faznih prehodov je koristno, da jih primerjamo s klasičnimi transformacijami (imenovano tudi toplotna obračanja). CPT opisuje povratno točko v termodinamičnih lastnostih sistema. To signalizira reorganizacijo delcev. Tipičen primer je zamrznitev prehoda vode, ki opisuje gladko preoblikovanje med tekočino in trdno snovjo. Klasični fazni izrastki so posledica konkurence med energijo sistema in entropijo njenih toplotnih nihanj.

Klasični sistem nima entropije pri ničelni temperaturi, zato se fazne preobrazbe ne more pojaviti. Njihovo naročilo določi prvi diskontinuirani derivatni termodinamični potencial. In, seveda, ima prvi red. Fazne pretvorbe iz feromagneta v paramagnet so neprekinjene in imajo drug reda. Te stalne spremembe od urejene do neurejene faze so opisane s parametrom naročila, ki je nič. Za zgoraj omenjeno feromagnetno transformacijo bo parameter parametra skupna magnetizacija sistema.

Potencial Gibbs

Brezplačna energija Gibbs je največje število del brez ekspanzije, ki se lahko odstrani iz termodinamičnega zaprtega sistema (ki lahko izmenjuje toploto in dela z okoljem). Takšen maksimalni rezultat je mogoče doseči le v popolnoma reverzibilnem procesu. Ko se sistem preobrazi na obraten način od prvega stanja do drugega stanja, je zmanjšanje proste Gibbsove energije enako sistemu, ki se izvaja v njegovem okolju, minus delo tlačnih sil.

Države ravnovesja

Termodinamično in mehansko ravnotežje je aksiomatski koncept termodinamike. To je notranje stanje enega ali več sistemov, ki jih povezujejo bolj ali manj prepustne ali neprepustne stene. V tem stanju ni čistih makroskopskih tokov iz snovi ali energije, niti v sistemu niti med sistemi.

V svojem lastnem konceptu stanja notranje ravnovesja se ne pojavlja makroskopska sprememba. Sistemi so hkrati nameščeni v medsebojnih termičnih, mehanskih, kemijskih (konstantah), sevalnih ravnovesjih. Lahko so v eni obliki. V tem procesu so vse vrste shranjene takoj in neskončno časa, dokler se fizično delovanje ne prekine. Absolutno točne uravnotežene izmenjave potekajo v makroskopskem ravnotežju. Zgornji dokaz je fizična razlaga tega pojma.

Osnove

Vsak zakon, izrek, formula ima svojo osnovo. Analiziramo 3 osnove faznega ravnovesnega zakona.

• Faza je oblika snovi, homogena v kemični sestavi, fizičnem stanju in mehanskem ravnotežju. Tipične faze so trdne, tekoče in plinaste. Med dvema različnima fazama in trdnimi delci, ki se ne meša, se štejeta dve mešanici, ki se ne mešajo (ali tekoče mešanice z različnimi sestavki), ločene z ločeno mejo.
• Število komponent (C) je število kemijsko neodvisnih komponent sistema. Najmanjše število neodvisnih vrst, potrebnih za določitev sestave vseh faz sistema.
• Število stopenj svobode (F) v tem kontekstu je število intenzivnih spremenljivk, ki med seboj niso odvisne.

Razvrstitev po faznih ravnovesjih

• Reakcije neprekinjenega čistega prenosa (pogosto imenovane trdne faze) se pojavljajo med trdnimi snovmi drugačne sestave. Lahko vsebujejo elemente, ki jih najdemo v tekočinah (H, C), vendar ti elementi ostanejo v trdnih fazah, tako da tekoče faze niso vključene kot reagenti ali proizvodi (H₂O, CO₂). Trdne reakcije čistega prenosa so lahko neprekinjene ali prekinjene, pa tudi končne.
• Polimorfni so poseben tip reakcije trdne faze, ki vključuje faze enake sestave. Klasični primeri so reakcije med aluminijevimi silikati, kijanit-silimanit-andalusitom, pretvorbo grafita v diamant pri visokem tlaku in ravnovesjem kalcijevega karbonata.

Zakoni ravnotežja

Gibbsovo tovarno pravilo je predlagal Joseph Willard Gibbs v svojem slavnem članku z naslovom "Ravnotežje heterogenih snovi", ki je bil objavljen od leta 1875 do 1878. Uporablja se za nereaktivne multikomponentne heterogene sisteme v termodinamičnem ravnotežju in je podana z enačbo:

• F = C-P + 2;
• kjer F - število stopenj svobode;
• C - število komponent;
• P - število faz v termodinamičnem ravnotežju med seboj.

Število stopenj svobode je število nenaseljenih intenzivnih spremenljivk. Največje število termodinamični parametri, kot so temperatura ali pritisk, ki se lahko spreminjajo hkrati in samovoljno, ne da bi vplivali drug na drugega. Primer enokomponentnega sistema je sistem z eno čisto kemično snovjo, dvokomponentni sistemi, kot so mešanice vode in etanola, imajo dve neodvisni komponenti. Tipični fazni prehodi (fazno ravnotežje) so trdne snovi, tekočine, plini.

Pravilo faz pri konstantnem tlaku

Za aplikacije na področju znanosti o materialih, ki se ukvarjajo s faznimi spremembami med različnimi trdnimi strukturami, pogosto obstaja stalni pritisk (na primer v eni atmosferi) in se zanemari kot stopnja svobode, zato pravilo postane: F = C - P + 1.

Včasih vnesite to formulo, imenovano "pravilo s kondenzirano fazo", vendar, kot vemo, se ne uporablja za te sisteme, ki so izpostavljeni visokim pritiskov (npr geologije), saj se lahko učinki teh pritiskov povzroči katastrofalne posledice.

Morda se zdi, da je faza ravnotežja - le prazna fraza, in malo ali nič fizikalnih procesov, ki ta čas, ampak kot smo videli, brez njega, mnogi zakoni ne poznamo, zato moramo malo seznanjeni s to edinstveno, barvita, čeprav Chut rahlo dolgočasna pravila. To znanje je pomagalo veliko ljudi. Naučili so se, da jih uporabljajo za sebe, na primer električarji, ki poznajo pravila delovanja z fazami, se lahko zaščitijo pred nepotrebno nevarnostjo.