Bizning zamonamizda fizika juda keng tarqalgan fanga aylandi. U tom ma'noda hamma joyda mavjud. Eng oddiy misol: hovlingizda olma daraxti o'sadi va unda mevalar pishadi, vaqt keladi va olma tusha boshlaydi, lekin ular qaysi tomonga tushadi? Umumjahon tortishish qonuni tufayli homilamiz erga tushadi, ya'ni pastga tushadi, lekin yuqoriga emas. Bu fizikaning eng mashhur misollaridan biri edi, lekin keling, termodinamikaga, aniqrogʻi, hayotimizda muhim boʻlmagan fazalar muvozanatiga eʼtibor qarataylik.
Termodinamika
Avval shu atamaga qaraylik. Tesarlodinyalik - bu so'z yunon tilida shunday ko'rinadi. Birinchi qism Esarlo "issiqlik" degan ma'noni anglatadi, ikkinchisi "kuch" degan ma'noni anglatadi. Termodinamika fizikaning makroskopik tizimning xossalarini, shuningdek energiyani aylantirish va uzatishning turli usullarini o'rganadigan bo'limidir. Ushbu bo'limda harorat tushunchasi tavsifga kiritilishi uchun turli holatlar va jarayonlar maxsus o'rganiladi (bu termodinamik tizimni tavsiflovchi fizik miqdor va undan foydalanib o'lchanadi.ba'zi jihozlar). Termodinamik tizimlarda davom etayotgan barcha jarayonlar faqat mikroskopik miqdorlar (bosim va harorat, shuningdek komponentlar konsentratsiyasi) bilan tavsiflanadi.
Klapeyron-Klauzius tenglamasi
Har bir fizik bu tenglamani biladi, lekin keling, uni parcha-parcha qilib olaylik. Bu ma'lum materiyaning bir fazadan ikkinchisiga o'tishdagi muvozanat jarayonlarini anglatadi. Bu shunday misollarda yaqqol ko'rinadi: eritish, bug'lanish, sublimatsiya (namlikni butunlay olib tashlash orqali sodir bo'ladigan mahsulotlarni saqlash usullaridan biri). Formulada davom etayotgan jarayonlar aniq ko'rsatilgan:
- n=PV/RT;
- bu yerda T - moddaning harorati;
- P-bosimi;
- R-fazali oʻtishning oʻziga xos issiqligi;
- V-muayyan hajmdagi oʻzgarish.
Tenglamaning yaratilish tarixi
Klauzius-Klapeyron tenglamasi termodinamikaning ikkinchi qonunining ajoyib matematik izohidir. "Klauzius tengsizligi" deb ham ataladi. Tabiiyki, teorema olimning o‘zi tomonidan ishlab chiqilgan bo‘lib, u tizimdagi issiqlik oqimi va entropiya hamda uning muhiti o‘rtasidagi bog‘liqlikni tushuntirmoqchi bo‘lgan. Bu tenglama Klauzius tomonidan entropiyani tushuntirish va miqdorini aniqlashga urinishlarida ishlab chiqilgan. To'g'ridan-to'g'ri ma'noda teorema bizga tsiklik jarayonning qaytarilishi yoki qaytarilmasligini aniqlash imkoniyatini beradi. Bu tengsizlik bizga ikkinchi qonunni tushunish uchun miqdoriy formulani taklif qiladi.
Olim birinchilardan boʻlib entropiya gʻoyasi ustida ishlagan va hatto uni bergan.jarayon nomi. Hozirda Klauzius teoremasi deb nomlanuvchi narsa birinchi marta 1862 yilda Rudolfning "Ichki ishlar uchun transformatsiya ekvivalenti teoremasidan foydalanish to'g'risida" ning oltinchi asarida nashr etilgan. Olim sistemada qizdirish (d Q) orqali entropiya va energiya oqimi o‘rtasidagi mutanosib munosabatni ko‘rsatishga harakat qildi. Qurilishda bu issiqlik energiyasini ishga aylantirish mumkin va uni tsiklik jarayon orqali issiqlikka aylantirish mumkin. Rudolf "tsiklik jarayonda sodir bo'ladigan barcha o'zgarishlarning algebraik yig'indisi faqat noldan kichik yoki o'ta og'ir holatlarda nolga teng bo'lishi mumkin"ekanligini isbotladi.
Yopiq izolyatsiyalangan tizim
Izolyatsiya qilingan tizim quyidagilardan biri:
- Jismoniy tizim ular bilan o'zaro ta'sir qilmaydigan boshqalardan uzoqdir.
- Termodinamik tizim qattiq qoʻzgʻalmas devorlar bilan yopilgan, ular orqali na materiya, na energiya oʻtadi.
Mavzuning oʻz tortishish kuchi bilan ichki bogʻliqligiga qaramay, izolyatsiyalangan tizim odatda tashqi tortishish va boshqa uzoq kuchlar chegarasidan tashqarida olinadi.
Buni (termodinamikada qoʻllaniladigan umumiy terminologiyada) selektiv devorlar bilan oʻralgan yopiq tizim deb ataladigan narsadan farq qilish mumkin, bu orqali energiya issiqlik yoki ish shaklida uzatilishi mumkin, lekin materiya. Va materiya va energiya kiradigan yoki chiqadigan ochiq tizim bilan, garchi u turli o'tib bo'lmaydigan devorlarga ega bo'lishi mumkin.chegaralarining bir qismi.
Izolyatsiya qilingan tizim saqlanish qonuniga bo'ysunadi. Ko'pincha termodinamikada materiya va energiya alohida tushunchalar sifatida ko'rib chiqiladi.
Termodinamik oʻtishlar
Kvant fazasi oʻtishlarini tushunish uchun ularni klassik oʻzgarishlar (issiqlik inversiyalari deb ham ataladi) bilan solishtirish foydalidir. CPT tizimning termodinamik xususiyatlarining cho'qqisini tavsiflaydi. Bu zarrachalarning qayta tashkil etilishini bildiradi. Oddiy misol - suyuqlik va qattiq jism o'rtasidagi silliq o'tishni tavsiflovchi suvning muzlashdan o'tishi. Klassik faza o'sishi tizim energiyasi va uning termal tebranishlari entropiyasi o'rtasidagi raqobat tufayli yuzaga keladi.
Klassik tizim nol haroratda entropiyaga ega emas va shuning uchun fazali transformatsiya sodir boʻlmaydi. Ularning tartibi birinchi uzluksiz hosila termodinamik potentsial bilan belgilanadi. Va, albatta, birinchi buyurtma bor. Ferromagnitdan paramagnitga fazali o'zgarishlar uzluksiz va ikkinchi tartibli. Bu tartibli fazadan tartibsiz fazagacha bo'lgan doimiy o'zgarishlar nolga teng bo'lgan tartib parametri bilan tavsiflanadi. Yuqoridagi ferromagnit transformatsiya uchun tartib parametri tizimning umumiy magnitlanishi bo'ladi.
Gibbs salohiyati
Gibbsning erkin energiyasi - bu termodinamik yopiq tizimdan olib tashlanishi mumkin bo'lgan (issiqlik almashinuvi va atrof-muhit bilan ishlay oladigan) kengaymasdan maksimal ish hajmi. Bundaymaksimal natijaga faqat butunlay qaytariladigan jarayonda erishish mumkin. Tizim birinchi holatdan ikkinchi holatga qaytganda, Gibbs bo'sh energiyaning kamayishi tizimning o'z muhitida bajarganiga teng bo'ladi, bosim kuchlarining ishini olib tashlagan holda.
Balans holati
Termodinamik va mexanik muvozanat termodinamikaning aksiomatik tushunchasidir. Bu ko'p yoki kamroq o'tkazuvchan yoki o'tkazmaydigan devorlar bilan bog'langan bir yoki bir nechta tizimlarning ichki holati. Bu holatda na tizim ichida, na tizimlar oʻrtasida materiya yoki energiyaning sof makroskopik oqimlari mavjud emas.
Ichki muvozanat holatining o'ziga xos kontseptsiyasida makroskopik o'zgarish sodir bo'lmaydi. Tizimlar bir vaqtning o'zida o'zaro termal, mexanik, kimyoviy (doimiy), radiatsiyaviy muvozanatda bo'ladi. Ular bir xil shaklda bo'lishi mumkin. Bu jarayonda barcha ko'rinishlar bir vaqtning o'zida va jismoniy operatsiya buzilmaguncha cheksiz saqlanadi. Makroskopik muvozanatda mukammal aniq muvozanatli almashinuvlar sodir bo'ladi. Yuqoridagi dalil bu tushunchaning jismoniy izohidir.
Asosiylar
Har bir qonun, teorema, formulalar oʻz asoslariga ega. Keling, fazalar muvozanati qonunining 3 ta asosini ko'rib chiqaylik.
- Faza kimyoviy tarkibi, fizik holati va mexanik muvozanati boʻyicha bir hil materiya shaklidir. Oddiy fazalar qattiq, suyuq va gazsimon. Alohida chegara bilan ajratilgan ikkita aralashmaydigan suyuqliklar (yoki turli xil tarkibga ega suyuq aralashmalar) ikkita alohida faza va aralashmaydigan qattiq moddalar hisoblanadi.
- Konponentlar soni (C) - tizimning kimyoviy jihatdan mustaqil komponentlari soni. Tizimning barcha fazalari tarkibini aniqlash uchun zarur boʻlgan mustaqil turlarning minimal soni.
- Bu kontekstdagi erkinlik darajalari soni (F) bir-biridan mustaqil boʻlgan intensiv oʻzgaruvchilar sonidir.
Fazalar muvozanati boʻyicha tasniflash
- Uzluksiz aniq uzatish reaktsiyalari (ko'pincha qattiq holat reaktsiyalari deb ataladi) turli tarkibdagi qattiq moddalar o'rtasida sodir bo'ladi. Ular suyuqlikdagi elementlarni o'z ichiga olishi mumkin (H, C), lekin bu elementlar qattiq fazalarda saqlanadi, shuning uchun hech qanday suyuqlik fazalari reaktivlar yoki mahsulotlar sifatida ishtirok etmaydi (H2O, CO2). Qattiq sof uzatish reaksiyalari uzluksiz yoki uzluksiz yoki terminal boʻlishi mumkin.
- Polimorfik - bir xil tarkibdagi fazalarni o'z ichiga olgan qattiq faza reaktsiyasining maxsus turi. Klassik misollar alyuminiy silikatlari siyanit-sillimanit-andalusit oʻrtasidagi reaksiyalar, yuqori bosimda grafitning olmosga aylanishi va k altsiy karbonatning muvozanati.
Muvozanat qonunlari
Gibbs zavodi qoidasi Jozia Uillard Gibbs tomonidan 1875 yildan 1878 yilgacha nashr etilgan "Heterojen moddalar muvozanati" nomli mashhur maqolasida taklif qilingan. ga tegishlitermodinamik muvozanatdagi reaktiv bo'lmagan ko'p komponentli geterogen tizimlar va berilgan tenglik:
- F=C-P+2;
- bu erda F - erkinlik darajalari soni;
- C - komponentlar soni;
- P - bir-biri bilan termodinamik muvozanatdagi fazalar soni.
Erkinlik darajalari soni band boʻlmagan intensiv oʻzgaruvchilar soni. Bir vaqtning o'zida va bir-biriga ta'sir qilmasdan o'zboshimchalik bilan o'zgarishi mumkin bo'lgan harorat yoki bosim kabi termodinamik parametrlarning eng ko'p soni. Bir komponentli tizimga misol sifatida bitta sof kimyoviy moddaga ega bo'lgan tizim, suv va etanol aralashmalari kabi ikki komponentli tizimlar ikkita mustaqil komponentga ega. Odatda fazali oʻtishlar (faza muvozanati) qattiq, suyuqlik va gazlardir.
Doimiy bosimdagi faza qoidasi
Turli qattiq tuzilmalar orasidagi faza oʻzgarishlari bilan shugʻullanuvchi materialshunoslik ilovalari uchun doimiy bosim tez-tez yuzaga keladi (masalan, bitta atmosfera) va erkinlik darajasi sifatida eʼtiborga olinmaydi, shuning uchun qoida quyidagicha boʻladi: F=C - P + 1.
Ushbu formula ba'zan "kondensatsiyalangan faza qoidasi" nomi bilan kiritiladi, lekin biz bilganimizdek, bu yuqori bosimga duchor bo'lgan tizimlarga (masalan, geologiyada) taalluqli emas, chunki bularning oqibatlari bosim halokatli oqibatlarga olib kelishi mumkin.
Faza muvozanati shunchaki bo'sh ibora bo'lib tuyulishi mumkin va bu momentda bir nechta jismoniy jarayonlar mavjud.ishtirok etadi, lekin, yuqorida aytib o'tganimizdek, usiz biz bilgan ko'pgina qonunlar ishlamaydi, shuning uchun siz ushbu noyob, rang-barang, biroz zerikarli qoidalar bilan biroz tanishishingiz kerak. Bu bilim ko'p odamlarga yordam berdi. Ularni o'zlariga qanday qo'llashni o'rgandilar, masalan, elektrchilar fazalar bilan ishlash qoidalarini bilgan holda, o'zlarini keraksiz xavfdan himoya qila oladilar.
