ჩვენს დროში ფიზიკა საკმაოდ გავრცელებულ მეცნიერებად იქცა. ის ფაქტიურად ყველგან არის წარმოდგენილი. ყველაზე ელემენტარული მაგალითი: შენს ეზოში ვაშლის ხე იზრდება და მასზე ნაყოფი მწიფდება, დრო მოდის და ვაშლები ცვენას იწყებს, მაგრამ რა მიმართულებით ცვივა? უნივერსალური მიზიდულობის კანონის წყალობით, ჩვენი ნაყოფი ეცემა მიწაზე, ანუ ეშვება ქვემოთ, მაგრამ არა მაღლა. ეს იყო ფიზიკის ერთ-ერთი ყველაზე ცნობილი მაგალითი, მაგრამ მოდით, ყურადღება მივაქციოთ თერმოდინამიკას, უფრო ზუსტად, ფაზურ წონასწორობას, რომლებიც არანაკლებ მნიშვნელოვანია ჩვენს ცხოვრებაში.
თერმოდინამიკა
პირველ რიგში, მოდით შევხედოთ ამ ტერმინს. ΘερΜοδυναΜική - ასე გამოიყურება სიტყვა ბერძნულად. პირველი ნაწილი ΘερΜo ნიშნავს "სითბოს", ხოლო მეორე δυναΜική ნიშნავს "ძლიერებას". თერმოდინამიკა არის ფიზიკის ფილიალი, რომელიც სწავლობს მაკროსკოპული სისტემის თვისებებს, აგრეთვე ენერგიის გარდაქმნისა და გადაცემის სხვადასხვა გზებს. ამ განყოფილებაში სპეციალურად არის შესწავლილი სხვადასხვა მდგომარეობები და პროცესები, რათა ტემპერატურის ცნება შევიდეს აღწერილობაში (ეს არის ფიზიკური სიდიდე, რომელიც ახასიათებს თერმოდინამიკურ სისტემას და იზომება გამოყენებითგარკვეული მოწყობილობები). ყველა მიმდინარე პროცესი თერმოდინამიკურ სისტემებში აღწერილია მხოლოდ მიკროსკოპული რაოდენობით (წნევა და ტემპერატურა, ასევე კომპონენტების კონცენტრაცია).
კლაპეირონ-კლაუზიუსის განტოლება
ყველა ფიზიკოსმა იცის ეს განტოლება, მაგრამ მოდით დავშალოთ იგი ნაწილ-ნაწილ. ეს ეხება გარკვეული ნივთიერების ერთი ფაზიდან მეორეში გადასვლის წონასწორულ პროცესებს. ეს აშკარად ჩანს ასეთ მაგალითებში: დნობა, აორთქლება, სუბლიმაცია (პროდუქტების შენარჩუნების ერთ-ერთი გზა, რომელიც ხდება ტენის მთლიანად მოცილებით). ფორმულა ნათლად აჩვენებს მიმდინარე პროცესებს:
- n=PV/RT;
- სადაც T არის ნივთიერების ტემპერატურა;
- P-წნევა;
- ფაზური გადასვლის R-სპეციფიკური სითბო;
- V-ცვლილება კონკრეტულ მოცულობაში.
განტოლების შექმნის ისტორია
კლაუზიუს-კლაპეირონის განტოლება არის თერმოდინამიკის მეორე კანონის შესანიშნავი მათემატიკური ახსნა. ასევე მოიხსენიება როგორც "კლაუსიუსის უთანასწორობა". ბუნებრივია, თეორემა შეიმუშავა თავად მეცნიერმა, რომელსაც სურდა აეხსნა კავშირი სისტემაში სითბოს ნაკადსა და ენტროპიას, ისევე როგორც მის გარემოს შორის. ეს განტოლება შეიმუშავა კლაუზიუსმა ენტროპიის ახსნისა და რაოდენობრივად განსაზღვრის მცდელობისას. პირდაპირი გაგებით, თეორემა საშუალებას გვაძლევს განვსაზღვროთ ციკლური პროცესი შექცევადია თუ შეუქცევადი. ეს უთანასწორობა გვთავაზობს რაოდენობრივ ფორმულას მეორე კანონის გასაგებად.
მეცნიერი იყო ერთ-ერთი პირველი, ვინც იმუშავა ენტროპიის იდეაზე და მისცა კიდეც.პროცესის სახელი. ის, რაც ახლა ცნობილია, როგორც კლაუსიუსის თეორემა, პირველად გამოქვეყნდა 1862 წელს რუდოლფის მეექვსე ნაშრომში, ტრანსფორმაციის ეკვივალენტობის თეორემის გამოყენების შესახებ შიდა სამუშაოებისთვის. მეცნიერი ცდილობდა ეჩვენებინა პროპორციული კავშირი ენტროპიასა და ენერგიის ნაკადს შორის გათბობით (δ Q) სისტემაში. მშენებლობაში, ეს თერმული ენერგია შეიძლება გარდაიქმნას სამუშაოდ და შეიძლება გარდაიქმნას სითბოდ ციკლური პროცესით. რუდოლფმა დაამტკიცა, რომ "ციკლური პროცესის დროს მომხდარი ყველა ტრანსფორმაციის ალგებრული ჯამი შეიძლება იყოს მხოლოდ ნულზე ნაკლები ან, უკიდურეს შემთხვევაში, ნულის ტოლი."
დახურული იზოლირებული სისტემა
იზოლირებული სისტემა არის ერთ-ერთი შემდეგი:
- ფიზიკური სისტემა შორს არის სხვებისგან, რომლებიც მათთან არ ურთიერთობენ.
- თერმოდინამიკური სისტემა დახურულია ხისტი უძრავი კედლებით, რომლებშიც ვერც მატერია და ვერც ენერგია ვერ გაივლის.
მიუხედავად იმისა, რომ სუბიექტი შინაგანად დაკავშირებულია საკუთარ გრავიტაციასთან, იზოლირებული სისტემა ჩვეულებრივ სცილდება გარე გრავიტაციული და სხვა შორეული ძალების საზღვრებს.
ეს შეიძლება შევაპირისპიროთ იმას, რასაც (უფრო ზოგადი ტერმინოლოგიით, რომელიც გამოიყენება თერმოდინამიკაში) ეწოდება დახურულ სისტემას, რომელიც გარშემორტყმულია შერჩევითი კედლებით, რომლის მეშვეობითაც ენერგია შეიძლება გადაიცეს სითბოს ან სამუშაოს სახით, მაგრამ არა მატერია. და ღია სისტემით, რომელშიც მატერია და ენერგია შედის ან გამოდის, თუმცა მას შეიძლება ჰქონდეს სხვადასხვა შეუღწევადი კედლები.მისი საზღვრების ნაწილები.
იზოლირებული სისტემა ემორჩილება კონსერვაციის კანონს. ყველაზე ხშირად თერმოდინამიკაში მატერია და ენერგია განიხილება როგორც ცალკეული ცნებები.
თერმოდინამიკური გადასვლები
კვანტური ფაზის გადასვლების გასაგებად, სასარგებლოა მათი შედარება კლასიკურ გარდაქმნებთან (ასევე უწოდებენ თერმულ ინვერსიებს). CPT აღწერს კუსპს სისტემის თერმოდინამიკურ თვისებებში. ეს სიგნალს აძლევს ნაწილაკების რეორგანიზაციას. ტიპიური მაგალითია წყლის გაყინვის გადასვლა, რომელიც აღწერს გლუვ გადასვლას თხევადსა და მყარს შორის. კლასიკური ფაზის ზრდა განპირობებულია სისტემის ენერგიისა და მისი თერმული რყევების ენტროპიის კონკურენციით.
კლასიკურ სისტემას არ აქვს ენტროპია ნულოვან ტემპერატურაზე და ამიტომ არ შეიძლება მოხდეს ფაზური ტრანსფორმაცია. მათი თანმიმდევრობა განისაზღვრება პირველი უწყვეტი წარმოებული თერმოდინამიკური პოტენციალით. და, რა თქმა უნდა, მას აქვს პირველი შეკვეთა. ფაზური გარდაქმნები ფერომაგნიტიდან პარამაგნიტამდე უწყვეტი და მეორე რიგია. ეს მუდმივი ცვლილებები მოწესრიგებულიდან უწესრიგო ფაზამდე აღწერილია რიგის პარამეტრით, რომელიც არის ნულოვანი. ზემოაღნიშნული ფერომაგნიტური ტრანსფორმაციისთვის, რიგის პარამეტრი იქნება სისტემის მთლიანი მაგნიტიზაცია.
გიბის პოტენციალი
გიბსის თავისუფალი ენერგია არის სამუშაოს მაქსიმალური რაოდენობა გაფართოების გარეშე, რომელიც შეიძლება მოიხსნას თერმოდინამიკური დახურული სისტემიდან (რომელსაც შეუძლია სითბოს გაცვლა და გარემოსთან მუშაობა). ასეთიმაქსიმალური შედეგის მიღება შესაძლებელია მხოლოდ სრულიად შექცევად პროცესში. როდესაც სისტემა გარდაიქმნება პირველი მდგომარეობიდან მეორეში, გიბსის თავისუფალი ენერგიის შემცირება უდრის სისტემის მიერ მის გარემოში შესრულებული ენერგიის შემცირებას წნევის ძალების მუშაობის გამოკლებით..
ბალანსის მდგომარეობა
თერმოდინამიკური და მექანიკური წონასწორობა არის თერმოდინამიკის აქსიომატური კონცეფცია. ეს არის ერთი ან რამდენიმე სისტემის შიდა მდგომარეობა, რომლებიც დაკავშირებულია მეტ-ნაკლებად გამტარი ან გაუმტარი კედლებით. ამ მდგომარეობაში არ არსებობს მატერიის ან ენერგიის სუფთა მაკროსკოპული ნაკადი, არც სისტემაში, არც სისტემებს შორის.
შინაგანი წონასწორობის მდგომარეობის საკუთარ კონცეფციაში მაკროსკოპული ცვლილება არ ხდება. სისტემები ერთდროულად იმყოფებიან ორმხრივ თერმულ, მექანიკურ, ქიმიურ (მუდმივ), რადიაციულ წონასწორობაში. ისინი შეიძლება იყოს იგივე ფორმით. ამ პროცესში, ყველა ხედი ინახება ერთდროულად და განუსაზღვრელი ვადით, სანამ ფიზიკური ოპერაცია არ დაირღვა. მაკროსკოპულ წონასწორობაში ხდება იდეალურად ზუსტი დაბალანსებული გაცვლები. ზემოთ მოყვანილი მტკიცებულება არის ამ კონცეფციის ფიზიკური ახსნა.
საფუძვლები
თითოეულ კანონს, თეორემას, ფორმულას აქვს თავისი საფუძვლები. მოდით შევხედოთ ფაზური წონასწორობის კანონის 3 საფუძველს.
- ფაზა არის მატერიის ფორმა, ერთგვაროვანი ქიმიური შემადგენლობით, ფიზიკური მდგომარეობით და მექანიკური წონასწორობით. ტიპიური ფაზებია მყარი, თხევადი და აირისებრი.ორი შეურევადი სითხე (ან თხევადი ნარევები სხვადასხვა შემადგენლობით), რომლებიც გამოყოფილია ცალკეული საზღვრით, განიხილება ორ განსხვავებულ ფაზებად და შეურევებელ მყარად.
- კომპონენტების რაოდენობა (C) არის სისტემის ქიმიურად დამოუკიდებელი კომპონენტების რაოდენობა. დამოუკიდებელი სახეობების მინიმალური რაოდენობა, რომელიც საჭიროა სისტემის ყველა ფაზის შემადგენლობის დასადგენად.
- თავისუფლების გრადუსების რაოდენობა (F) ამ კონტექსტში არის ინტენსიური ცვლადების რაოდენობა, რომლებიც ერთმანეთისგან დამოუკიდებელია.
კლასიფიკაცია ფაზური წონასწორობის მიხედვით
- უწყვეტი წმინდა გადაცემის რეაქციები (ხშირად უწოდებენ მყარი მდგომარეობის რეაქციებს) ხდება სხვადასხვა შემადგენლობის მყარ მატერიას შორის. ისინი შეიძლება შეიცავდეს სითხეებში ნაპოვნი ელემენტებს (H, C), მაგრამ ეს ელემენტები შენარჩუნებულია მყარ ფაზებში, ამიტომ არცერთი თხევადი ფაზები არ არის ჩართული, როგორც რეაქტანტები ან პროდუქტები (H2O, CO2). მყარი სუფთა გადაცემის რეაქციები შეიძლება იყოს უწყვეტი ან უწყვეტი, ან ტერმინალური.
- პოლიმორფული არის მყარი ფაზის რეაქციის განსაკუთრებული ტიპი, რომელიც მოიცავს იდენტური შემადგენლობის ფაზებს. კლასიკური მაგალითებია რეაქცია ალუმინის სილიკატებს შორის ქიანიტი-სილიმანიტი-ანდალუზიტი, გრაფიტის გარდაქმნა ბრილიანტად მაღალი წნევის დროს და კალციუმის კარბონატის წონასწორობა..
წონასწორობის კანონები
გიბსის ქარხნის წესი შემოგვთავაზა ჯოსია უილარდ გიბსმა თავის ცნობილ ნაშრომში სახელწოდებით "ჰეტეროგენული ნივთიერებების წონასწორობა", რომელიც გამოჩნდა 1875 წლიდან 1878 წლამდე. ეს ეხებაარარეაქტიული მრავალკომპონენტიანი ჰეტეროგენული სისტემები თერმოდინამიკურ წონასწორობაში და არის მოცემული თანასწორობა:
- F=C-P+2;
- სადაც F არის თავისუფლების გრადუსების რაოდენობა;
- C - კომპონენტების რაოდენობა;
- P - თერმოდინამიკური წონასწორობის ფაზების რაოდენობა ერთმანეთთან.
თავისუფლების გრადუსების რაოდენობა არის დაუკავებელი ინტენსიური ცვლადების რაოდენობა. თერმოდინამიკური პარამეტრების უდიდესი რაოდენობა, როგორიცაა ტემპერატურა ან წნევა, რომელიც შეიძლება განსხვავდებოდეს ერთდროულად და თვითნებურად, ერთმანეთზე გავლენის გარეშე. ერთკომპონენტიანი სისტემის მაგალითია ერთი სუფთა ქიმიური ნივთიერებით, ხოლო ორკომპონენტიან სისტემებს, როგორიცაა წყლისა და ეთანოლის ნარევები, აქვთ ორი დამოუკიდებელი კომპონენტი. ტიპიური ფაზის გადასვლები (ფაზის წონასწორობა) არის მყარი, სითხეები, აირები.
ფაზის წესი მუდმივი წნევის დროს
მასალების მეცნიერებაში გამოყენებისთვის, რომელიც ეხება ფაზურ ცვლილებებს სხვადასხვა მყარ სტრუქტურებს შორის, მუდმივი წნევა ხშირად ხდება (მაგ. ერთი ატმოსფერო) და იგნორირებულია, როგორც თავისუფლების ხარისხი, ამიტომ წესი ხდება: F=C - P + 1..
ეს ფორმულა ხანდახან შემოდის სახელწოდებით "შედედებული ფაზის წესი", მაგრამ როგორც ვიცით, ის არ გამოიყენება იმ სისტემებზე, რომლებიც ექვემდებარებიან მაღალ წნევას (მაგალითად, გეოლოგიაში), რადგან ამის შედეგები ზეწოლამ შეიძლება გამოიწვიოს კატასტროფული შედეგები.
შეიძლება ჩანდეს, რომ ფაზური წონასწორობა მხოლოდ ცარიელი ფრაზაა და არსებობს რამდენიმე ფიზიკური პროცესი, რომელშიც ეს მომენტიჩართულია, მაგრამ, როგორც ვნახეთ, ამის გარეშე ბევრი კანონი, რომელიც ჩვენ ვიცით, არ მუშაობს, ამიტომ ცოტა უნდა გაეცნოთ ამ უნიკალურ, ფერად, თუმცა ცოტა მოსაწყენ წესებს. ეს ცოდნა ბევრ ადამიანს დაეხმარა. მათ ისწავლეს როგორ გამოიყენონ ისინი საკუთარ თავზე, მაგალითად, ელექტრიკოსებმა, იცოდნენ ფაზებთან მუშაობის წესები, შეუძლიათ დაიცვან თავი ზედმეტი საფრთხისგან.
