בתקופתנו, הפיזיקה הפכה למדע נפוץ מאוד. זה ממש קיים בכל מקום. הדוגמה הכי אלמנטרית: עץ תפוח גדל בחצר שלך, ופירות מבשילים עליו, מגיע הזמן והתפוחים מתחילים ליפול, אבל לאיזה כיוון הם נופלים? הודות לחוק הכבידה האוניברסלי, העובר שלנו נופל ארצה, כלומר הוא יורד, אבל לא למעלה. זו הייתה אחת הדוגמאות המפורסמות ביותר לפיזיקה, אבל בואו נשים לב לתרמודינמיקה, או ליתר דיוק, לשיווי משקל שלבים, שהם לא פחות חשובים בחיינו.
תרמודינמיקה
קודם כל, בואו נסתכל על המונח הזה. ΘερΜοδυναΜική - כך נראית המילה ביוונית. החלק הראשון ΘερΜo פירושו "חום", והשני δυναΜική פירושו "כוח". תרמודינמיקה היא ענף בפיזיקה החוקר את תכונותיה של מערכת מקרוסקופית, כמו גם דרכים שונות להמרה והעברת אנרגיה. בפרק זה נלמדים במיוחד מצבים ותהליכים שונים על מנת שניתן יהיה להכניס לתיאור את מושג הטמפרטורה (זוהי כמות פיזיקלית המאפיינת מערכת תרמודינמית ונמדדת באמצעותמכשירים מסוימים). כל התהליכים המתמשכים במערכות תרמודינמיות מתוארים רק לפי כמויות מיקרוסקופיות (לחץ וטמפרטורה, כמו גם ריכוז הרכיבים).
משוואת קלפיירון-קלאוסיוס
כל פיזיקאי מכיר את המשוואה הזו, אבל בואו נפרק אותה חלק אחר חלק. זה מתייחס לתהליכי שיווי המשקל של המעבר של חומר מסוים משלב אחד לאחר. זה נראה בבירור בדוגמאות כאלה: התכה, אידוי, סובלימציה (אחת הדרכים לשימור מוצרים, שמתבצעת על ידי הסרת לחות מלאה). הנוסחה מציגה בבירור את התהליכים המתמשכים:
- n=PV/RT;
- כאשר T היא הטמפרטורה של החומר;
- P-pressure;
- R-חום ספציפי של מעבר פאזה;
- V-שינוי בנפח ספציפי.
ההיסטוריה של יצירת המשוואה
משוואת קלאוזיוס-קלפיירון היא הסבר מתמטי מצוין לחוק השני של התרמודינמיקה. מכונה גם "אי השוויון של קלאוזיוס". מטבע הדברים, המשפט פותח על ידי המדען עצמו, שרצה להסביר את הקשר בין זרימת החום במערכת לבין האנטרופיה, כמו גם את סביבתה. משוואה זו פותחה על ידי קלאוזיוס בניסיונותיו להסביר ולכמת אנטרופיה. במובן המילולי, המשפט נותן לנו את ההזדמנות לקבוע אם תהליך מחזורי הוא הפיך או בלתי הפיך. אי השוויון הזה מציע לנו נוסחה כמותית להבנת החוק השני.
המדען היה מהראשונים שעבדו על רעיון האנטרופיה, ואף נתן אותושם התהליך. מה שידוע כיום כמשפט קלאוזיוס פורסם לראשונה ב-1862 בחיבורו השישי של רודולף, על השימוש במשפט שקילות הטרנספורמציה לעבודה פנימית. המדען ניסה להראות קשר פרופורציונלי בין אנטרופיה וזרימת אנרגיה על ידי חימום (δ Q) במערכת. בבנייה, ניתן להמיר את האנרגיה התרמית הזו לעבודה, וניתן להפוך אותה לחום בתהליך מחזורי. רודולף הוכיח ש"הסכום האלגברי של כל התמורות המתרחשות בתהליך מחזורי יכול להיות רק פחות מאפס או, במקרים קיצוניים, שווה לאפס."
מערכת מבודדת סגורה
מערכת מבודדת היא אחת מהאפשרויות הבאות:
- המערכת הפיזית רחוקה מאחרות שאינן מקיימות איתם אינטראקציה.
- המערכת התרמודינמית סגורה על ידי קירות קשיחים בלתי ניתנים להזזה שדרכם לא חומר ולא אנרגיה יכולים לעבור.
למרות העובדה שהנושא קשור באופן פנימי לכוח המשיכה שלו, מערכת מבודדת נלקחת בדרך כלל מעבר לגבולות הכבידה החיצונית וכוחות רחוקים אחרים.
ניתן להעמיד זאת בניגוד למה (בטרמינולוגיה הכללית יותר המשמשת בתרמודינמיקה) שנקרא מערכת סגורה מוקפת בקירות סלקטיביים שדרכם ניתן להעביר אנרגיה בצורה של חום או עבודה, אבל לא חומר. ועם מערכת פתוחה שבה חומר ואנרגיה נכנסים או יוצאים, אם כי עשויים להיות לה קירות בלתי חדירים שונים.חלקים מגבולותיה.
מערכת מבודדת מצייתת לחוק השימור. לרוב בתרמודינמיקה, חומר ואנרגיה נחשבים כמושגים נפרדים.
מעברים תרמודינמיים
כדי להבין מעברי פאזה קוונטיים, כדאי להשוות אותם עם טרנספורמציות קלאסיות (נקראות גם היפוך תרמי). CPT מתאר את הקצה בתכונות התרמודינמיות של מערכת. זה מאותת על ארגון מחדש של חלקיקים. דוגמה טיפוסית היא המעבר המקפיא של מים, המתאר מעבר חלק בין נוזל למוצק. גידולי פאזה קלאסיים נובעים מהתחרות בין האנרגיה של המערכת לבין האנטרופיה של התנודות התרמיות שלה.
למערכת קלאסית אין אנטרופיה בטמפרטורה אפס ולכן לא יכולה להתרחש טרנספורמציה פאזה. הסדר שלהם נקבע על ידי הפוטנציאל התרמודינמי הנגזרת הבלתי רציפה הראשונה. וכמובן, יש לו את הצו הראשון. טרנספורמציות פאזה מפרומגנט לפראמגנט הן רציפות ומסדר שני. השינויים הקבועים הללו משלב מסודר לשלב לא מסודר מתוארים על ידי פרמטר סדר שהוא אפס. עבור הטרנספורמציה הפרומגנטית לעיל, פרמטר ההזמנה יהיה המגנטיזציה הכוללת של המערכת.
Gibbs potential
The Gibbs Free Energy היא כמות העבודה המקסימלית ללא התרחבות שניתן להסיר ממערכת סגורה תרמודינמית (שיכולה להחליף חום ולעבוד עם הסביבה). כגוןהתוצאה המקסימלית יכולה להתקבל רק בתהליך הפיך לחלוטין. כאשר המערכת הופכת חזרה מהמצב הראשון לשני, ההפחתה באנרגיה החופשית של גיבס שווה לזו שמבצעת המערכת בסביבתה, בניכוי העבודה של כוחות הלחץ.
מצבי איזון
שיווי משקל תרמודינמי ומכני הוא מושג אקסיומטי של תרמודינמיקה. זהו המצב הפנימי של מערכת אחת או יותר המחוברות בקירות פחות או יותר חדירים או אטומים. במצב זה, אין זרימות מקרוסקופיות טהורות של חומר או אנרגיה, לא בתוך מערכת ולא בין מערכות.
בתפיסה שלה לגבי מצב שיווי המשקל הפנימי, שינוי מקרוסקופי אינו מתרחש. המערכות נמצאות בו זמנית בשיווי משקל תרמי, מכני, כימי (קבוע), קרינה הדדי. הם עשויים להיות באותה צורה. בתהליך זה, כל התצוגות נשמרות בבת אחת וללא הגבלת זמן עד להפסקת הפעולה הפיזית. בשיווי משקל מקרוסקופי, מתרחשות חילופים מאוזנים מדויקים לחלוטין. ההוכחה שלמעלה היא הסבר פיזיקלי למושג זה.
Basics
לכל חוקים, משפטים, נוסחאות יש יסודות משלהם. הבה נסתכל על 3 היסודות של חוק שיווי משקל הפאזות.
- שלב הוא צורה של חומר, הומוגנית בהרכבו הכימי, במצב הפיזי ובאיזון המכני. שלבים אופייניים הם מוצקים, נוזליים וגזים.שני נוזלים בלתי מתערבים (או תערובות נוזליות בהרכב שונה) המופרדים על ידי גבול נפרד נחשבים לשני שלבים נפרדים ומוצקים בלתי מתערבים.
- מספר הרכיבים (C) הוא מספר הרכיבים הבלתי תלויים מבחינה כימית של המערכת. המספר המינימלי של מינים עצמאיים הנדרש לקביעת ההרכב של כל שלבי המערכת.
- מספר דרגות החופש (F) בהקשר זה הוא מספר המשתנים האינטנסיביים שאינם תלויים זה בזה.
סיווג לפי שיווי משקל שלבים
- תגובות של העברה נטו מתמשכת (המכונה לעתים קרובות תגובות מצב מוצק) מתרחשות בין חומר מוצק בהרכב שונה. הם עשויים לכלול יסודות שנמצאים בנוזלים (H, C), אך יסודות אלה נשמרים בשלבים מוצקים, כך שאין שלבים נוזליים מעורבים כמגיבים או מוצרים (H2O, CO2). תגובות העברה טהורות מוצקות יכולות להיות רציפות או בלתי רציפות, או סופניות.
- פולימורפיים הם סוג מיוחד של תגובת פאזה מוצקה הכוללת שלבים בעלי הרכב זהה. דוגמאות קלאסיות הן התגובות בין סיליקטים אלומיניום קיאניט-סילימניט-אנדלוסיט, הפיכת גרפיט ליהלום בלחץ גבוה, ושיווי המשקל של סידן פחמתי.
חוקי שיווי המשקל
The Gibbs Factory Rule הוצע על ידי ג'וזיה וילארד גיבס במאמרו המפורסם שכותרתו "שיווי המשקל של חומרים הטרוגניים", שהופיע בין השנים 1875 ל-1878. זה חל עלמערכות הטרוגניות מרובות רכיבים לא תגובתיות בשיווי משקל תרמודינמי והיא שוויון נתון:
- F=C-P+2;
- כאשר F הוא מספר דרגות החופש;
- C – מספר רכיבים;
- P - מספר שלבים בשיווי משקל תרמודינמי זה עם זה.
מספר דרגות החופש הוא מספר המשתנים האינטנסיביים שאינם תפוסים. המספר הגדול ביותר של פרמטרים תרמודינמיים, כגון טמפרטורה או לחץ, שיכולים להשתנות בו זמנית ובאופן שרירותי מבלי להשפיע זה על זה. דוגמה למערכת חד-רכיבית היא מערכת עם כימיקל יחיד טהור, בעוד למערכות דו-רכיביות, כמו תערובות של מים ואתנול, יש שני רכיבים עצמאיים. מעברי פאזה אופייניים (שיווי משקל שלבים) הם מוצקים, נוזלים, גזים.
כלל שלב בלחץ קבוע
עבור יישומים במדעי החומרים העוסקים בשינויי פאזה בין מבנים מוצקים שונים, לעתים קרובות מתרחש לחץ קבוע (למשל אטמוספרה אחת) ומתעלמים ממנו כדרגת חופש, כך שהכלל הופך להיות: F=C - P + 1.
נוסחה זו מוצגת לפעמים תחת השם "כלל פאזה מעובה", אך כידוע, היא אינה חלה על מערכות אלו הנתונות ללחצים גבוהים (לדוגמה, בגיאולוגיה), שכן ההשלכות של אלה לחצים עלולים לגרום לתוצאות קטסטרופליות.
אולי נראה ששיווי משקל פאזה הוא רק ביטוי ריק, ויש מעט תהליכים פיזיקליים שבהם הרגע הזהמעורב, אבל, כפי שראינו, בלעדיו, רבים מהחוקים שאנו מכירים אינם עובדים, אז אתה צריך להכיר קצת את הכללים הייחודיים, הצבעוניים, אם כי מעט משעממים. הידע הזה עזר לאנשים רבים. הם למדו איך ליישם אותם על עצמם, למשל, חשמלאים, המכירים את הכללים לעבודה עם פאזות, יכולים להגן על עצמם מפני סכנה מיותרת.
