Биздин заманыбызда физика абдан кеңири таралган илим болуп калды. Ал түзмө-түз бардык жерде бар. Эң эле жөнөкөй мисал: корооңдо алма дарагы өсүп, анын үстүндө мөмөлөр бышат, убакыт келип, алмалар түшө баштайт, бирок алар кайсы тарапка түшөт? Бүткүл дүйнөлүк тартылуу мыйзамынын аркасында биздин түйүлдүк жерге түшөт, б.а., ылдый түшүп, бирок өйдө эмес. Бул физиканын эң белгилүү мисалдарынын бири болгон, бирок келгиле, термодинамикага, тагыраагы, жашообузда андан кем эмес маанилүү болгон фазалык тең салмактуулуктарга көңүл буралы.
Термодинамика
Биринчиден, бул терминди карап көрөлү. ΘερΜοδυναΜική - бул сөз грек тилинде ушундай көрүнөт. Биринчи бөлүгү ΘερΜo "жылуулук", экинчи δυναΜική "күч" дегенди билдирет. Термодинамика – физиканын макроскопиялык системанын касиеттерин, ошондой эле энергияны өзгөртүүнүн жана берүүнүн ар кандай жолдорун изилдөөчү бөлүмү. Бул бөлүмдө температура түшүнүгү сыпаттамага киргизилиши үчүн ар кандай абалдар жана процесстер атайын изилденет (бул термодинамикалык системаны мүнөздөгөн физикалык чоңдук жанакээ бир приборлор). Термодинамикалык системаларда жүрүп жаткан бардык процесстер микроскопиялык чоңдуктар менен гана сүрөттөлөт (басым жана температура, ошондой эле компоненттердин концентрациясы).
Клапейрон-Клаузиус теңдемеси
Бул теңдемени ар бир физик билет, бирок келгиле, аны бөлүктөргө бөлүп көрөлү. Ал белгилүү бир заттын бир фазадан экинчи фазага өтүү процессинин тең салмактуу процесстерин билдирет. Бул мындай мисалдарда ачык көрүнүп турат: эрүү, буулануу, сублимация (нымдуулукту толугу менен жок кылуу менен ишке ашкан продукцияны сактоонун жолдорунун бири). Формула жүрүп жаткан процесстерди ачык көрсөтөт:
- n=PV/RT;
- мында T - заттын температурасы;
- P-кысым;
- R-фазалык өтүүнүн өзгөчө жылуулук;
- V-белгилүү көлөмдөгү өзгөртүү.
Теңдеменин жаралуу тарыхы
Клаузиус-Клапейрон теңдемеси термодинамиканын экинчи мыйзамынын эң сонун математикалык түшүндүрмөсү. Ошондой эле "Клаузиус теңсиздиги" деп аталат. Албетте, теореманы илимпоз өзү иштеп чыккан, ал системадагы жылуулук агымы менен энтропиянын, ошондой эле анын айлана-чөйрөсүнүн ортосундагы байланышты түшүндүргүсү келген. Бул теңдеме Клаузиус тарабынан энтропияны түшүндүрүү жана сандык аныктоо аракетинде иштелип чыккан. Сөзмө-сөз мааниде теорема циклдик процесстин кайтуу же кайтарылбас экенин аныктоого мүмкүнчүлүк берет. Бул теңсиздик бизге экинчи мыйзамды түшүнүү үчүн сандык формуланы сунуштайт.
Окумуштуу энтропия идеясынын үстүндө иштеген биринчилерден болуп, ал тургай аны бергенпроцесстин аталышы. Азыр Клаузиустун теоремасы деп аталып калган нерсе биринчи жолу 1862-жылы Рудольфтун «Трансформация эквиваленттик теоремасын ички иштер үчүн колдонуу жөнүндө» алтынчы эмгегинде жарыяланган. Окумуштуу системада ысытуу (δ Q) аркылуу энтропия менен энергия агымынын ортосундагы пропорционалдык байланышты көрсөтүүгө аракет кылган. Курулушта бул жылуулук энергиясы жумушка айланышы мүмкүн, ал эми циклдик процесс аркылуу жылуулукка айланышы мүмкүн. Рудольф "циклдик процессте болуп жаткан бардык кайра куруулардын алгебралык суммасы нөлдөн аз гана болушу мүмкүн же өзгөчө учурларда нөлгө барабар болушу мүмкүн" экенин далилдеген.
Жабык изоляцияланган система
Изоляцияланган система төмөнкүлөрдүн бири:
- Физикалык система алар менен өз ара аракеттенбеген башка системалардан алыс.
- Термодинамикалык система катуу кыймылсыз дубалдар менен жабылган, алар аркылуу зат да, энергия да өтө албайт.
Предметтин ички тартылуу күчү менен байланыштуу болгонуна карабастан, обочолонгон система адатта сырткы тартылуу жана башка алыскы күчтөрдүн чегинен тышкары алынат.
Муну (термодинамикада колдонулган жалпы терминологияда) энергияны зат эмес, жылуулук же жумуш түрүндө өткөрө турган тандалма дубалдар менен курчалган жабык система деп атаса болот. Зат жана энергия кирип же чыга турган ачык система менен, бирок анын ичинде ар кандай өтпөс дубалдар болушу мүмкүн.анын чек араларынын бөлүктөрү.
Изоляцияланган система сакталуу мыйзамына баш ийет. Көбүнчө термодинамикада зат жана энергия өзүнчө түшүнүктөр катары каралат.
Термодинамикалык өтүүлөр
Кванттык фазалык өтүүлөрдү түшүнүү үчүн аларды классикалык трансформациялар менен салыштыруу пайдалуу (ошондой эле жылуулук инверсиялары деп аталат). CPT системанын термодинамикалык касиеттеринин чокусун сүрөттөйт. Ал бөлүкчөлөрдүн кайра түзүлүшүн билдирет. Кадимки мисал суюктук менен катуу заттын ортосундагы жылмакай өтүүнү сүрөттөгөн суунун муздатуу өтүшү. Классикалык фазалардын өсүшү системанын энергиясы менен анын жылуулук флуктуацияларынын энтропиясынын ортосундагы атаандаштыктан келип чыгат.
Классикалык системанын нөл температурада энтропиясы жок, ошондуктан фазалык трансформация болбойт. Алардын тартиби биринчи үзгүлтүксүз туунду термодинамикалык потенциал менен аныкталат. Анан, албетте, анын биринчи тартиби бар. Ферромагнетиктен парамагнетикке өтүүчү фазалык трансформациялар үзгүлтүксүз жана экинчи тартипте болот. Тартиптүү фазадан тартипсиз фазага чейин бул туруктуу өзгөрүүлөр нөлгө барабар болгон тартип параметри менен сүрөттөлөт. Жогорудагы ферромагниттик трансформация үчүн тартип параметри системанын жалпы магниттешүүсү болот.
Гиббс потенциалы
Гиббс бош энергиясы – бул термодинамикалык жабык системадан (жылуулук алмашууга жана айлана-чөйрө менен иштей ала турган) алып салууга мүмкүн болгон кеңейүүсүз иштөөнүн максималдуу көлөмү. Мындаймаксималдуу натыйжаны толугу менен кайра жараянда гана алууга болот. Система биринчи абалдан экинчи абалга кайра өткөндө, Гиббс бош энергиясынын азайышы системанын анын чөйрөсүндө аткарганына барабар, басым күчтөрдүн жумушун алып салганда.
Баланс абалы
Термодинамикалык жана механикалык тең салмактуулук - термодинамиканын аксиоматикалык түшүнүгү. Бул аздыр-көптүр өткөргүч же өткөрбөөчү дубалдар менен байланышкан бир же бир нече системанын ички абалы. Бул абалда системанын ичинде да, системалар арасында да заттын же энергиянын макроскопиялык таза агымы болбойт.
Ички тең салмактуулуктун өз концепциясында макроскопиялык өзгөрүү болбойт. Системалар бир эле учурда өз ара жылуулук, механикалык, химиялык (туруктуу), радиациялык тең салмактуулукта болушат. Алар бирдей формада болушу мүмкүн. Бул процессте бардык көрүнүштөр бир убакта жана физикалык операция бузулганга чейин чексиз сакталат. Макроскопиялык тең салмактуулукта эң так, тең салмактуу алмашуулар ишке ашат. Жогорудагы далил бул түшүнүктүн физикалык түшүндүрмөсү.
Негиздер
Ар бир мыйзамдардын, теоремалардын, формулалардын өзүнүн негиздери бар. Фазалык тең салмактуулуктун мыйзамынын 3 негиздерин карап көрөлү.
- Фаза – химиялык курамы, физикалык абалы жана механикалык тең салмактуулугу боюнча бир тектүү заттын формасы. Типтүү фазалары катуу, суюк жана газ түрүндө болот. Өзүнчө чек менен бөлүнгөн эки аралашпаган суюктуктар (же ар кандай составдагы суюк аралашмалар) эки башка фаза жана аралашпаган катуу заттар болуп эсептелет.
- Компоненттердин саны (C) - системанын химиялык көз карандысыз компоненттеринин саны. Системанын бардык фазаларынын курамын аныктоо үчүн зарыл болгон көз карандысыз түрлөрдүн минималдуу саны.
- Бул контексттеги эркиндик даражаларынын саны (F) бири-биринен көз карандысыз интенсивдүү өзгөрмөлөрдүн саны.
Фазалык тең салмактуулук боюнча классификация
- Үзгүлтүксүз таза өтүү реакциялары (көбүнчө катуу абалдагы реакциялар деп аталат) түрдүү составдагы катуу заттардын ортосунда болот. Алар суюктуктардагы элементтерди камтышы мүмкүн (H, C), бирок бул элементтер катуу фазаларда кармалып турат, ошондуктан реактивдер же продуктулар катары суюк фазалар катышпайт (H2O, CO2). Катуу таза өткөрүү реакциялары үзгүлтүксүз же үзгүлтүктүү же терминалдык болушу мүмкүн.
- Полиморфтук - бирдей составдагы фазаларды камтыган катуу фазалык реакциянын өзгөчө түрү. Классикалык мисалдар алюминий силикаттарынын кианит-силлиманит-андалузит ортосундагы реакциялар, жогорку басымда графиттин алмазга айланышы жана кальций карбонатынын тең салмактуулугу болуп саналат.
Тең салмактуулуктун мыйзамдары
Гиббс фабрикасынын эрежеси Жосия Уиллард Гиббс тарабынан 1875-жылдан 1878-жылга чейин жарык көргөн "Гетерогендик заттардын тең салмактуулугу" аттуу атактуу эмгегинде сунушталган. карата колдонулаттермодинамикалык тең салмактуулуктагы реактивдүү эмес көп компоненттүү гетерогендүү системалар жана берилген теңчилик:
- F=C-P+2;
- бул жерде F - эркиндик даражаларынын саны;
- C – компоненттердин саны;
- P - бири-бири менен термодинамикалык тең салмактуулуктагы фазалардын саны.
Эркиндик даражаларынын саны – ээлебеген интенсивдүү өзгөрмөлөрдүн саны. Температура же басым сыяктуу термодинамикалык параметрлердин эң көп саны, алар бир эле учурда жана бири-бирине таасир этпестен ыктыярдуу түрдө өзгөрө алышат. Бир компоненттүү системага бир таза химиялык кошулган система мисал боло алат, ал эми эки компоненттүү системалар, мисалы, суу жана этанол аралашмасы эки көз карандысыз компонентке ээ. Типтүү фазалык өтүүлөр (фазалык тең салмактуулук) катуу заттар, суюктуктар, газдар.
Туруктуу басымдагы фаза эрежеси
Ар түрдүү катуу түзүлүштөрдүн ортосундагы фазалык өзгөрүүлөр менен байланышкан материал таануу колдонмолору үчүн, көп учурда туруктуу басым пайда болот (мисалы, бир атмосфера) жана эркиндик даражасы катары эсепке алынбайт, ошондуктан эреже мындай болот: F=C - P + 1.
Бул формула кээде "конденсацияланган фаза эрежеси" деген ат менен киргизилет, бирок биз билгендей, бул жогорку басымга дуушар болгон системаларга (мисалы, геологияда) колдонулбайт, анткени алардын кесепеттери басым катастрофалык кесепеттерге алып келиши мүмкүн.
Фазалык тең салмактуулук жөн гана бош сөз айкашы сыяктуу сезилиши мүмкүн жана бул учурда бир нече физикалык процесстер бартартылган, бирок, жогоруда айтылгандай, ансыз биз билген мыйзамдардын көбү иштебейт, андыктан бул уникалдуу, түркүн түстүү, бир аз болсо да кызыксыз эрежелер менен бир аз таанышуу керек. Бул билим көптөгөн адамдарга жардам берди. Аларды өздөрүнө кантип колдонууну үйрөнүштү, мисалы, электриктер фазалар менен иштөө эрежелерин билүү менен өздөрүн керексиз коркунучтан коргой алышат.
