Бидний үед физик маш түгээмэл шинжлэх ухаан болсон. Энэ нь шууд утгаараа хаа сайгүй байдаг. Хамгийн энгийн жишээ: танай хашаанд алимны мод ургаж, түүн дээр жимс боловсорч, цаг нь ирж, алим унаж эхэлдэг, гэхдээ тэд ямар чиглэлд унадаг вэ? Бүх нийтийн таталцлын хуулийн ачаар бидний ураг газарт унадаг, өөрөөр хэлбэл доошоо явдаг, гэхдээ дээшээ биш. Энэ бол физикийн хамгийн алдартай жишээнүүдийн нэг байсан ч бидний амьдралд чухал ач холбогдолтой термодинамик, бүр тодруулбал фазын тэнцвэрт байдалд анхаарлаа хандуулцгаая.
Термодинамик
Юуны өмнө энэ нэр томьёог харцгаая. ΘερΜοδυναΜική - Грек хэлэнд энэ үг ингэж харагддаг. Эхний хэсэг ΘερΜo нь "дулаан", хоёр дахь δυναΜική нь "хүч" гэсэн утгатай. Термодинамик бол макроскопийн системийн шинж чанар, мөн энергийг хувиргах, шилжүүлэх янз бүрийн аргуудыг судалдаг физикийн салбар юм. Энэ хэсэгт янз бүрийн төлөв байдал, үйл явцыг тусгайлан судалж, температурын тухай ойлголтыг тайлбарт оруулах боломжтой (энэ нь термодинамик системийг тодорхойлдог физик хэмжигдэхүүн бөгөөд үүнийг ашиглан хэмждэг.тодорхой цахилгаан хэрэгсэл). Термодинамик системд явагдаж буй бүх процессыг зөвхөн микроскопийн хэмжигдэхүүнээр (даралт ба температур, түүнчлэн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн концентраци) дүрсэлдэг.
Клапейрон-Клаузиусын тэгшитгэл
Физикч бүр энэ тэгшитгэлийг мэддэг ч үүнийг хэсэг хэсгээр нь задлаад үзье. Энэ нь тодорхой бодисыг нэг үе шатаас нөгөөд шилжүүлэх тэнцвэрт үйл явцыг хэлнэ. Энэ нь ийм жишээнүүдээс тодорхой харагдаж байна: хайлах, ууршуулах, сублимаци (бүтээгдэхүүнийг хадгалах арга замуудын нэг нь чийгийг бүрэн арилгах замаар явагддаг). Томъёо нь үргэлжилж буй үйл явцыг тодорхой харуулж байна:
- n=PV/RT;
- Энд T нь бодисын температур;
- P-даралт;
- Фазын шилжилтийн R-өвөрмөц дулаан;
- V-тодорхой хэмжээний өөрчлөлт.
Тэгшитгэл үүссэн түүх
Клаузиус-Клапейроны тэгшитгэл нь термодинамикийн хоёрдугаар хуулийн маш сайн математик тайлбар юм. Мөн "Клаузиусын тэгш бус байдал" гэж нэрлэдэг. Угаасаа теоремыг эрдэмтэн өөрөө боловсруулсан бөгөөд систем дэх дулааны урсгал ба энтропи, хүрээлэн буй орчны хоорондын хамаарлыг тайлбарлахыг хүссэн юм. Энэ тэгшитгэлийг Клаузиус энтропийг тайлбарлах, тоолох оролдлого хийхдээ боловсруулсан. Шууд утгаараа теорем нь мөчлөгт үйл явц нь эргэлт буцалтгүй эсвэл эргэлт буцалтгүй эсэхийг тодорхойлох боломжийг бидэнд олгодог. Энэхүү тэгш бус байдал нь хоёр дахь хуулийг ойлгох тоон томъёог бидэнд санал болгож байна.
Эрдэмтэн энтропийн санааг анх гаргаж, тэр ч байтугай өгсөн хүмүүсийн нэг юм.үйл явцын нэр. Одоо Клаусиусын теорем гэж нэрлэгддэг зүйл нь анх 1862 онд Рудольфын "Дотоод ажилд хувиргах эквивалент теоремыг ашиглах тухай" зургаа дахь бүтээлд нийтлэгдсэн. Эрдэмтэн энтропи ба энергийн урсгалын хоорондох пропорциональ хамаарлыг системд халаах замаар (δ Q) харуулахыг оролдсон. Барилга угсралтын ажилд энэ дулааны энергийг ажил болгон хувиргаж, циклийн процессоор дулаан болгон хувиргаж болно. Рудольф "Циклийн процесст тохиолдох бүх хувиргалтуудын алгебрийн нийлбэр нь зөвхөн тэгээс бага эсвэл онцгой тохиолдолд тэгтэй тэнцүү байж болно" гэдгийг нотолсон.
Хаалттай тусгаарлагдсан систем
Тусгаарлагдсан систем нь дараах зүйлсийн нэг юм:
- Физик систем нь бусадтай харьцдаггүй бусад системээс хол байдаг.
- Термодинамик систем нь материал ч, энерги ч дамждаггүй хатуу үл хөдлөх ханаар хаалттай байдаг.
Хэдийгээр тухайн субьект нь өөрийн таталцалтай дотооддоо холбоотой байдаг ч тусгаарлагдсан системийг ихэвчлэн гадны таталцлын болон бусад алслагдсан хүчний хязгаараас хэтрүүлэн авдаг.
Үүнийг (термодинамикийн ерөнхий нэр томьёогоор) сонгомол ханаар хүрээлэгдсэн хаалттай систем гэж нэрлэдэг бөгөөд үүгээр дамжуулан энерги нь дулаан эсвэл ажлын хэлбэрээр дамждаг боловч матери биш юм. Мөн дотор нь янз бүрийн нэвтэршгүй ханатай байж болох ч бодис, энерги орж, гардаг нээлттэй системтэй.түүний хилийн хэсэг.
Тусгаарлагдсан систем нь хамгааллын хуульд захирагддаг. Ихэнхдээ термодинамикийн хувьд бодис ба энергийг тусдаа ойлголт гэж үздэг.
Термодинамик шилжилтүүд
Квантын фазын шилжилтийг ойлгохын тулд тэдгээрийг сонгодог хувиргалттай (мөн дулааны урвуу гэж нэрлэдэг) харьцуулах нь ашигтай байдаг. CPT нь системийн термодинамик шинж чанарын оргил үеийг тодорхойлдог. Энэ нь бөөмсийг дахин зохион байгуулах дохио юм. Ердийн жишээ бол шингэн ба хатуу биет хоорондын жигд шилжилтийг дүрсэлсэн усны хөлдөлтийн шилжилт юм. Сонгодог фазын өсөлт нь системийн энерги ба түүний дулааны хэлбэлзлийн энтропи хоорондын өрсөлдөөнөөс үүдэлтэй.
Сонгодог системд тэг температурт энтропи байдаггүй тул фазын хувирал үүсэх боломжгүй. Тэдний дарааллыг эхний тасалдсан дериватив термодинамик потенциалаар тодорхойлно. Тэгээд мэдээж эхний захиалгатай. Ферромагнетаас парамагнет хүртэлх фазын хувиргалт нь тасралтгүй ба хоёр дахь дараалалтай байдаг. Эмх цэгцтэй үе шатнаас эмх замбараагүй үе хүртэлх эдгээр тогтмол өөрчлөлтүүдийг дарааллын параметр нь тэгээр дүрсэлдэг. Дээрх ферросоронзон хувиргалтын хувьд захиалгын параметр нь системийн нийт соронзлол байх болно.
Гиббс боломж
Гиббсийн чөлөөт энерги нь термодинамик хаалттай системээс (дулаан солилцож, хүрээлэн буй орчинтой ажиллах боломжтой) салгаж болох өргөтгөлгүйгээр хийх ажлын дээд хэмжээ юм. Иймхамгийн их үр дүнг зөвхөн бүрэн буцаах процессоор олж авах боломжтой. Систем эхний төлөвөөс хоёр дахь төлөв рүү буцах үед Гиббсын чөлөөт энергийн бууралт нь даралтын хүчний ажлыг хассанаар тухайн системийн хүрээлэн буй орчинд гүйцэтгэсэнтэй тэнцүү байна.
Тэнцвэрийн төлөв
Термодинамик ба механик тэнцвэр нь термодинамикийн аксиоматик ойлголт юм. Энэ нь нэг буюу хэд хэдэн системийн дотоод төлөв нь их эсвэл бага нэвчилттэй эсвэл ус үл нэвтрэх ханаар холбогдсон байдаг. Энэ төлөвт систем дотор ч, систем хооронд ч бодис, энергийн цэвэр макроскоп урсгал байхгүй.
Дотоод тэнцвэрт байдлын тухай өөрийн үзэл баримтлалд макроскопийн өөрчлөлт гардаггүй. Системүүд нь харилцан дулаан, механик, химийн (тогтмол), цацрагийн тэнцвэрт байдалд нэгэн зэрэг байдаг. Тэд ижил хэлбэртэй байж болно. Энэ процесст бүх үзэл бодол нэг дор хадгалагдаж, физик ажиллагаа тасрах хүртэл тодорхойгүй хугацаагаар хадгалагдана. Макроскопийн тэнцвэрт байдалд төгс нарийн тэнцвэртэй солилцоо явагддаг. Дээрх нотолгоо нь энэ ойлголтын бодит тайлбар юм.
Үндсэн мэдээлэл
Хууль, теорем, томьёо бүр өөрийн гэсэн үндэслэлтэй. Фазын тэнцвэрийн хуулийн 3 үндсийг авч үзье.
- Үе шат нь химийн найрлага, физик төлөв, механик тэнцвэрт байдлын хувьд нэгэн төрлийн бодисын нэг хэлбэр юм. Ердийн үе шатууд нь хатуу, шингэн ба хий юм. Тусдаа хилээр тусгаарлагдсан хоёр холилдохгүй шингэнийг (эсвэл өөр өөр найрлагатай шингэн хольцыг) хоёр ялгаатай фаз ба холилдохгүй хатуу бодис гэж үзнэ.
- Бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн тоо (C) нь системийн химийн хувьд бие даасан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн тоо юм. Системийн бүх үе шатуудын найрлагыг тодорхойлоход шаардагдах бие даасан зүйлийн хамгийн бага тоо.
- Энэ нөхцөл дэх эрх чөлөөний зэрэглэлийн тоо (F) нь бие биенээсээ хамааралгүй эрчимтэй хувьсагчдын тоо юм.
Үе шатын тэнцвэрээр ангилах
- Тасралтгүй цэвэр дамжуулалтын урвалууд (ихэвчлэн хатуу төлөвт урвал гэж нэрлэдэг) өөр өөр найрлагатай хатуу бодисын хооронд үүсдэг. Эдгээр нь шингэнд агуулагдах элементүүдийг (H, C) агуулж болох боловч эдгээр элементүүд нь хатуу фазуудад хадгалагддаг тул шингэн фазууд урвалд орох бодис эсвэл бүтээгдэхүүнд оролцдоггүй (H2O, CO2). Хатуу цэвэр дамжуулах урвалууд нь тасралтгүй эсвэл тасалдалтай эсвэл төгсгөлтэй байж болно.
- Полиморф нь ижил найрлагатай үе шатуудыг агуулсан хатуу фазын тусгай төрлийн урвал юм. Сонгодог жишээнүүд нь хөнгөн цагааны силикат кианит-силлиманит-андалузит хоорондын урвал, бал чулууг өндөр даралтанд алмаз болгон хувиргах, кальцийн карбонатын тэнцвэрт байдал зэрэг юм.
Тэнцвэрийн хуулиуд
Гиббсын үйлдвэрийн дүрмийг Жосиа Виллард Гиббс 1875-1878 онуудад хэвлэгдсэн "Гэрэл бус бодисын тэнцвэр" нэртэй нийтлэлдээ санал болгосон. Үүнд хамаарнатермодинамик тэнцвэрт реактив бус олон бүрэлдэхүүн хэсэгтэй гетероген систем ба өгөгдсөн тэгш байдал:
- F=C-P+2;
- Энд F нь эрх чөлөөний зэрэглэлийн тоо;
- C – бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн тоо;
- P - өөр хоорондоо термодинамик тэнцвэрт байдалд байгаа фазын тоо.
Эрх чөлөөний зэрэглэлийн тоо нь эзэнгүй эрчимтэй хувьсагчдын тоо юм. Температур эсвэл даралт зэрэг хамгийн олон тооны термодинамик параметрүүд нь бие биедээ нөлөөлөхгүйгээр нэгэн зэрэг, дур зоргоороо өөрчлөгдөж болно. Нэг бүрэлдэхүүн хэсэгтэй системийн жишээ нь нэг цэвэр химийн бодис агуулсан систем байдаг бол ус, этилийн спиртийн холимог зэрэг хоёр бүрэлдэхүүн хэсэг нь бие даасан хоёр бүрэлдэхүүн хэсэгтэй байдаг. Ердийн фазын шилжилт (фазын тэнцвэр) нь хатуу, шингэн, хий юм.
Тогтмол даралт дахь фазын дүрэм
Янз бүрийн хатуу бүтэц хоорондын фазын өөрчлөлттэй холбоотой материалын шинжлэх ухааны хэрэглээнд тогтмол даралт ихэвчлэн үүсдэг (жишээ нь нэг атмосфер) бөгөөд үүнийг эрх чөлөөний зэрэг гэж үздэггүй тул дүрэм нь: F=C - P + 1 болно..
Энэ томъёог заримдаа "конденсатор фазын дүрэм" гэсэн нэрээр нэвтрүүлдэг боловч бидний мэдэж байгаагаар өндөр даралтанд өртдөг эдгээр системүүдэд (жишээлбэл, геологийн хувьд) хамаарахгүй, учир нь эдгээрийн үр дагавар даралт нь сүйрлийн үр дагаварт хүргэж болзошгүй.
Фазын тэнцвэр нь зүгээр л хоосон хэллэг мэт санагдаж магадгүй бөгөөд энэ мөчид тохиолддог физик процесс цөөхөн байдаг.оролцдог, гэхдээ бидний харсанчлан үүнгүйгээр бидний мэддэг олон хууль ажиллахгүй байгаа тул та эдгээр өвөрмөц, өнгөлөг, бага зэрэг уйтгартай дүрмүүдтэй бага зэрэг танилцах хэрэгтэй. Энэхүү мэдлэг нь олон хүнд тусалсан. Тэд үүнийг өөртөө хэрхэн хэрэгжүүлэх талаар сурсан, жишээлбэл, цахилгаанчин фазуудтай ажиллах дүрмийг мэддэг тул шаардлагагүй аюулаас өөрсдийгөө хамгаалж чадна.
