Günümüzde fizik çok yaygın bir bilim haline geldi. Kelimenin tam anlamıyla her yerde bulunur. En basit örnek: Bahçenizde bir elma ağacı büyür ve üzerinde meyveler olgunlaşır, zamanı gelir ve elmalar düşmeye başlar ama hangi yöne düşer? Evrensel yerçekimi yasası sayesinde fetüsümüz yere düşer, yani aşağı iner, yukarı değil. Fiziğin en ünlü örneklerinden biriydi ama termodinamiğe, daha doğrusu hayatımızda daha az önemli olmayan faz dengelerine dikkat edelim.
Termodinamik
Öncelikle bu terime bir bakalım. ΘερΜοδυναΜική - Yunanca'da bu kelime böyle görünüyor. İlk kısım ΘερΜo "sıcaklık", ikinci δυναΜική ise "güç" anlamına gelir. Termodinamik, makroskopik bir sistemin özelliklerini ve ayrıca enerjiyi dönüştürmenin ve aktarmanın çeşitli yollarını inceleyen bir fizik dalıdır. Bu bölümde, sıcaklık kavramının açıklamaya dahil edilebilmesi için çeşitli durumlar ve süreçler özel olarak incelenir (bu, bir termodinamik sistemi karakterize eden fiziksel bir niceliktir ve kullanılarak ölçülür).belirli cihazlar). Termodinamik sistemlerde devam eden tüm süreçler yalnızca mikroskobik niceliklerle tanımlanır (basınç ve sıcaklık ve ayrıca bileşenlerin konsantrasyonu).
Clapeyron-Clausius denklemi
Her fizikçi bu denklemi bilir ama hadi parça parça inceleyelim. Belirli bir maddenin bir fazdan diğerine geçişinin denge süreçlerini ifade eder. Bu, bu tür örneklerde açıkça görülmektedir: erime, buharlaşma, süblimleşme (ürünleri korumanın yollarından biri, nemin tamamen uzaklaştırılmasıyla gerçekleşir). Formül, devam eden süreçleri açıkça gösterir:
- n=PV/RT;
- burada T maddenin sıcaklığıdır;
- P-basıncı;
- R'ye özgü faz geçiş ısısı;
- Belirli ses seviyesinde V-değişimi.
Denklemin oluşturulma tarihi
Clausius-Clapeyron denklemi, termodinamiğin ikinci yasasının mükemmel bir matematiksel açıklamasıdır. "Clausius eşitsizliği" olarak da adlandırılır. Doğal olarak, teorem, sistemdeki ısı akışı ile entropi ve çevresi arasındaki ilişkiyi açıklamak isteyen bilim adamının kendisi tarafından geliştirildi. Bu denklem Clausius tarafından entropiyi açıklamaya ve ölçmeye çalışırken geliştirilmiştir. Kelimenin tam anlamıyla, teorem bize döngüsel bir sürecin tersinir mi yoksa tersinir mi olduğunu belirleme fırsatı verir. Bu eşitsizlik bize ikinci yasayı anlamamız için nicel bir formül sunuyor.
Bilim insanı, entropi fikri üzerinde ilk çalışanlardan biriydi ve hattaİşlem adı. Şimdi Clausius'un teoremi olarak bilinen şey, ilk kez 1862'de Rudolf'un altıncı çalışması On the Use of the Use of the Transformation Eşvalence for Interior Work'te yayınlandı. Bilim adamı, sistemdeki ısıtarak (δ Q) entropi ile enerji akışı arasında orantılı bir ilişki göstermeye çalıştı. İnşaatta bu termal enerji işe dönüştürülebilir ve döngüsel bir süreçle ısıya dönüştürülebilir. Rudolph, "döngüsel bir süreçte meydana gelen tüm dönüşümlerin cebirsel toplamının yalnızca sıfırdan küçük veya aşırı durumlarda sıfıra eşit olabileceğini" kanıtladı.
Kapalı izole sistem
Yalıtılmış sistem aşağıdakilerden biridir:
- Fiziksel sistem, kendileriyle etkileşime girmeyen diğerlerinden uzaktır.
- Termodinamik sistem, ne maddenin ne de enerjinin geçemeyeceği katı, hareketsiz duvarlarla kapatılır.
Öznenin kendi yerçekimi ile içsel olarak ilişkili olmasına rağmen, izole bir sistem genellikle dış yerçekimi ve diğer uzak kuvvetlerin sınırlarının ötesine alınır.
Bu, (termodinamikte kullanılan daha genel terminolojide) enerjinin madde değil, ısı veya iş şeklinde transfer edilebildiği, seçici duvarlarla çevrili kapalı bir sistem olarak adlandırılan şeyle çelişebilir. Ve içinde çeşitli aşılmaz duvarlara sahip olsa da, madde ve enerjinin girdiği veya çıktığı açık bir sistemle.sınırlarının bir kısmı.
Yalıtılmış bir sistem koruma yasasına uyar. Çoğu zaman termodinamikte madde ve enerji ayrı kavramlar olarak kabul edilir.
Termodinamik geçişler
Kuantum faz geçişlerini anlamak için onları klasik dönüşümlerle (termal inversiyonlar da denir) karşılaştırmakta fayda var. CPT, bir sistemin termodinamik özelliklerindeki zirveyi tanımlar. Parçacıkların yeniden düzenlenmesini işaret eder. Tipik bir örnek, bir sıvı ve bir katı arasında yumuşak bir geçişi tanımlayan suyun donma geçişidir. Klasik faz büyümeleri, sistemin enerjisi ile termal dalgalanmalarının entropisi arasındaki rekabetten kaynaklanır.
Klasik bir sistemin sıfır sıcaklıkta entropisi yoktur ve bu nedenle faz dönüşümü gerçekleşemez. Sıraları birinci süreksiz türev termodinamik potansiyel tarafından belirlenir. Ve elbette, ilk sıraya sahiptir. Bir ferromagnetden bir paramagnete faz dönüşümleri süreklidir ve ikinci derecedendir. Düzenli bir fazdan düzensiz bir faza olan bu sabit değişiklikler, sıfır olan bir sıra parametresi ile tanımlanır. Yukarıdaki ferromanyetik dönüşüm için, sıra parametresi sistemin toplam manyetizasyonu olacaktır.
Gibbs potansiyeli
Gibbs Serbest Enerjisi, termodinamik kapalı bir sistemden (ısı alışverişi yapabilen ve çevre ile çalışabilen) genleşme olmaksızın çıkarılabilen maksimum iş miktarıdır. Çokmaksimum sonuç ancak tamamen tersine çevrilebilir bir işlemde elde edilebilir. Sistem ilk durumdan ikinci duruma geri döndüğünde, Gibbs serbest enerjisindeki azalma, sistemin kendi ortamında yaptığına eşittir, eksi basınç kuvvetlerinin işidir.
Denge durumları
Termodinamik ve mekanik denge, termodinamiğin aksiyomatik bir kavramıdır. Bu, az veya çok geçirgen veya geçirimsiz duvarlarla birbirine bağlanan bir veya daha fazla sistemin iç durumudur. Bu durumda, ne bir sistem içinde ne de sistemler arasında saf makroskopik madde veya enerji akışı yoktur.
İç denge durumuna ilişkin kendi anlayışında, makroskopik değişiklik meydana gelmez. Sistemler aynı anda karşılıklı termal, mekanik, kimyasal (sabit), radyasyon dengesindedir. Aynı formda olabilirler. Bu süreçte, tüm görünümler bir kerede ve fiziksel işlem bozulana kadar süresiz olarak kaydedilir. Makroskopik dengede, mükemmel kesinlikte dengeli değişimler gerçekleşir. Yukarıdaki kanıt, bu kavramın fiziksel bir açıklamasıdır.
Temel Bilgiler
Her kanun, teorem, formül kendi temellerine sahiptir. Faz dengesi yasasının 3 temeline bakalım.
- Faz, kimyasal bileşim, fiziksel durum ve mekanik denge bakımından homojen bir madde şeklidir. Tipik fazlar katı, sıvı ve gazdır. Ayrı bir sınırla ayrılmış iki karışmaz sıvı (veya farklı bileşimlere sahip sıvı karışımlar), iki farklı faz ve karışmaz katı olarak kabul edilir.
- Bileşenlerin sayısı (C), sistemin kimyasal olarak bağımsız bileşenlerinin sayısıdır. Sistemin tüm fazlarının bileşimini belirlemek için gereken minimum bağımsız tür sayısı.
- Bu bağlamda serbestlik derecesi sayısı (F), birbirinden bağımsız yoğun değişkenlerin sayısıdır.
Faz dengesine göre sınıflandırma
- Sürekli net transfer reaksiyonları (genellikle katı hal reaksiyonları olarak adlandırılır) farklı bileşimdeki katı maddeler arasında meydana gelir. Sıvılarda (H, C) bulunan elementleri içerebilirler, ancak bu elementler katı fazlarda tutulur, bu nedenle reaktanlar veya ürünler olarak hiçbir sıvı faz dahil edilmez (H2O, CO2). Katı saf transfer reaksiyonları, sürekli veya süreksiz veya terminal olabilir.
- Polimorfik, aynı bileşime sahip fazları içeren özel bir katı faz reaksiyonu türüdür. Klasik örnekler, alüminyum silikatlar kiyanit-silimanit-andaluzit arasındaki reaksiyonlar, grafitin yüksek basınçta elmasa dönüşümü ve kalsiyum karbonat dengesidir.
Denge yasaları
Gibbs Fabrika Kuralı, Josiah Willard Gibbs tarafından 1875'ten 1878'e kadar çıkan "Heterojen Maddelerin Dengesi" başlıklı ünlü makalesinde önerildi. için geçerlidirtermodinamik dengede reaktif olmayan çok bileşenli heterojen sistemler ve verilen bir eşitliktir:
- F=C-P+2;
- burada F, serbestlik derecesi sayısıdır;
- C – bileşen sayısı;
- P - birbirleriyle termodinamik dengedeki faz sayısı.
Serbestlik derecesi sayısı, kullanılmayan yoğun değişkenlerin sayısıdır. Sıcaklık veya basınç gibi birbirini etkilemeden aynı anda ve keyfi olarak değişebilen en fazla sayıda termodinamik parametre. Su ve etanol karışımları gibi iki bileşenli sistemler iki bağımsız bileşene sahipken, tek bileşenli bir sistem örneği, tek bir saf kimyasal içeren sistemdir. Tipik faz geçişleri (faz dengesi) katılar, sıvılar, gazlardır.
Sabit basınçta faz kuralı
Farklı katı yapılar arasındaki faz değişimleriyle ilgilenen malzeme bilimi uygulamaları için, genellikle sabit bir basınç oluşur (örneğin bir atmosfer) ve bir serbestlik derecesi olarak göz ardı edilir, bu nedenle kural şöyle olur: F=C - P + 1.
Bu formül bazen "yoğun faz kuralı" adı altında tanıtılır, ancak bildiğimiz gibi, yüksek basınçlara maruz kalan (örneğin jeolojide) bu sistemler için geçerli değildir, çünkü bunların sonuçları baskılar feci sonuçlara neden olabilir.
Faz dengesi sadece boş bir ifade gibi görünebilir ve bu anın içinde bulunduğu birkaç fiziksel süreç vardır.dahil, ancak gördüğümüz gibi, onsuz, bildiğimiz yasaların çoğu çalışmıyor, bu yüzden bu benzersiz, renkli, biraz sıkıcı da olsa kurallara biraz aşina olmanız gerekiyor. Bu bilgi birçok insana yardımcı oldu. Bunları kendilerine nasıl uygulayacaklarını öğrendiler, örneğin, fazlar ile çalışma kurallarını bilen elektrikçiler kendilerini gereksiz tehlikelerden koruyabilirler.
