Փուլային հավասարակշռություն. Գիբսի փուլային կանոն

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-02 17:49

Մեր ժամանակներում ֆիզիկան դարձել է շատ տարածված գիտություն: Այն բառացիորեն առկա է ամենուր։ Ամենատարրական օրինակը՝ քո բակում խնձորի ծառ է աճում, վրան պտուղներ են հասունանում, ժամանակը գալիս է ու խնձորները սկսում են թափվել, բայց ո՞ր ուղղությամբ են ընկնում։ Համընդհանուր ձգողության օրենքի շնորհիվ մեր պտուղը ընկնում է գետնին, այսինքն՝ իջնում է, բայց ոչ վերև։ Դա ֆիզիկայի ամենահայտնի օրինակներից էր, բայց եկեք ուշադրություն դարձնենք թերմոդինամիկային, ավելի ճիշտ՝ փուլային հավասարակշռություններին, որոնք պակաս կարևոր չեն մեր կյանքում։

Թերմոդինամիկա

Նախ, եկեք նայենք այս տերմինին: ΘερΜοδυναΜική - այսպես է բառը հունարենում: Առաջին մասը ΘερΜo նշանակում է «ջերմություն», իսկ երկրորդը՝ δυναΜική՝ «ուժ»։ Թերմոդինամիկան ֆիզիկայի ճյուղ է, որն ուսումնասիրում է մակրոսկոպիկ համակարգի հատկությունները, ինչպես նաև էներգիան փոխակերպելու և փոխանցելու տարբեր եղանակներ։ Այս բաժնում հատուկ ուսումնասիրվում են տարբեր վիճակներ և գործընթացներ, որպեսզի ջերմաստիճանի հայեցակարգը ներկայացվի նկարագրության մեջ (սա ֆիզիկական մեծություն է, որը բնութագրում է թերմոդինամիկական համակարգը և չափվում է օգտագործելով.որոշ սարքեր): Թերմոդինամիկական համակարգերում ընթացող բոլոր գործընթացները նկարագրվում են միայն մանրադիտակային մեծություններով (ճնշում և ջերմաստիճան, ինչպես նաև բաղադրիչների կոնցենտրացիան):

Clapeyron-Clausius հավասարում

Յուրաքանչյուր ֆիզիկոս գիտի այս հավասարումը, բայց եկեք այն բաժանենք մաս առ մաս: Այն վերաբերում է որոշակի նյութի մի փուլից մյուսին անցնելու հավասարակշռության գործընթացներին: Սա հստակ երևում է նման օրինակներում՝ հալում, գոլորշիացում, սուբլիմացիա (արտադրանքի պահպանման եղանակներից մեկը, որը տեղի է ունենում խոնավության ամբողջական հեռացման միջոցով)։ Բանաձևը հստակ ցույց է տալիս ընթացիկ գործընթացները՝

• n=PV/RT;
• որտեղ T-ը նյութի ջերմաստիճանն է;
• P-ճնշում;
• Ֆազային անցման R-հատուկ ջերմություն;
• V-փոփոխություն կոնկրետ ծավալում:

Հավասարման ստեղծման պատմությունը

Կլաուզիուս-Կլապեյրոն հավասարումը թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի հիանալի մաթեմատիկական բացատրությունն է: Նաև կոչվում է «Կլաուզիուսի անհավասարություն»: Բնականաբար, թեորեմը մշակել է հենց ինքը՝ գիտնականը, ով ցանկացել է բացատրել համակարգում ջերմային հոսքի և էնտրոպիայի, ինչպես նաև դրա շրջակա միջավայրի փոխհարաբերությունները։ Այս հավասարումը մշակվել է Կլաուզիուսի կողմից էնտրոպիան բացատրելու և քանակականացնելու իր փորձերում։ Բառացի իմաստով թեորեմը մեզ հնարավորություն է տալիս որոշել՝ ցիկլային պրոցեսը շրջելի է, թե անշրջելի։ Այս անհավասարությունը մեզ առաջարկում է երկրորդ օրենքը հասկանալու քանակական բանաձև։

Գիտնականն առաջիններից էր, ով աշխատեց էնտրոպիայի գաղափարի վրա և նույնիսկ տվեց այն.գործընթացի անվանումը. Այն, ինչ այժմ հայտնի է որպես Կլաուզիուսի թեորեմ, առաջին անգամ հրապարակվել է 1862 թվականին Ռուդոլֆի վեցերորդ աշխատությունում՝ «Տրանսֆորմացիայի համարժեքության թեորեմի օգտագործման մասին ներքին աշխատանքի համար»։ Գիտնականը փորձել է ցույց տալ համաչափ կապ էնտրոպիայի և էներգիայի հոսքի միջև՝ ջեռուցման միջոցով (δ Q) համակարգում։ Շինարարության մեջ այս ջերմային էներգիան կարող է վերածվել աշխատանքի, և այն կարող է վերածվել ջերմության ցիկլային գործընթացի միջոցով։ Ռուդոլֆն ապացուցեց, որ «ցիկլային գործընթացում տեղի ունեցող բոլոր փոխակերպումների հանրահաշվական գումարը կարող է լինել միայն զրոյից փոքր կամ, ծայրահեղ դեպքերում, հավասար զրոյի»:

Փակ մեկուսացված համակարգ

Մեկուսացված համակարգը հետևյալներից է.

1. Ֆիզիկական համակարգը հեռու է մյուսներից, որոնք չեն փոխազդում նրանց հետ:
2. Թերմոդինամիկական համակարգը փակված է կոշտ անշարժ պատերով, որոնց միջով չեն կարող անցնել ոչ նյութը, ոչ էլ էներգիան:

Չնայած այն հանգամանքին, որ առարկան ներքուստ կապված է իր սեփական ձգողության հետ, մեկուսացված համակարգը սովորաբար դուրս է գալիս արտաքին գրավիտացիոն և այլ հեռավոր ուժերի սահմաններից:

Սա կարելի է հակադրել այն բանին, ինչը (թերմոդինամիկայի մեջ օգտագործվող ավելի ընդհանուր տերմինաբանությամբ) կոչվում է փակ համակարգ, որը շրջապատված է ընտրովի պատերով, որոնց միջոցով էներգիան կարող է փոխանցվել ջերմության կամ աշխատանքի, բայց ոչ նյութի տեսքով: Եվ բաց համակարգով, որտեղ նյութը և էներգիան մտնում կամ դուրս են գալիս, թեև այն կարող է ունենալ տարբեր անթափանց պատերնրա սահմանների մասերը։

Մեկուսացված համակարգը ենթարկվում է պահպանման օրենքին: Ամենից հաճախ թերմոդինամիկայի մեջ նյութը և էներգիան դիտվում են որպես առանձին հասկացություններ։

Ջերմոդինամիկական անցումներ

Քվանտային փուլային անցումները հասկանալու համար օգտակար է դրանք համեմատել դասական փոխակերպումների հետ (նաև կոչվում են ջերմային ինվերսիաներ): CPT-ն նկարագրում է համակարգի թերմոդինամիկական հատկությունների գագաթը: Այն ազդարարում է մասնիկների վերակազմավորումը։ Տիպիկ օրինակ է ջրի սառեցման անցումը, որը նկարագրում է հեղուկի և պինդի միջև սահուն անցումը: Դասական փուլային աճերը պայմանավորված են համակարգի էներգիայի և նրա ջերմային տատանումների էնտրոպիայի միջև մրցակցությամբ:

Դասական համակարգը չունի էնտրոպիա զրոյական ջերմաստիճանում և, հետևաբար, չի կարող տեղի ունենալ փուլային փոխակերպում: Նրանց կարգը որոշվում է առաջին ընդհատվող ածանցյալ թերմոդինամիկական պոտենցիալով։ Եվ, իհարկե, այն ունի առաջին կարգը։ Ֆազային փոխակերպումները ֆերոմագնիսից դեպի պարամագնիս են շարունակական և երկրորդ կարգի: Այս մշտական փոփոխությունները կարգավորված փուլից դեպի խանգարված փուլ նկարագրվում են կարգի պարամետրով, որը զրո է: Վերոնշյալ ֆերոմագնիսական փոխակերպման համար կարգի պարամետրը կլինի համակարգի ընդհանուր մագնիսացումը։

Գիբսի ներուժ

Գիբսի ազատ էներգիան առանց ընդլայնման աշխատանքի առավելագույն քանակն է, որը կարող է հեռացվել թերմոդինամիկական փակ համակարգից (որը կարող է ջերմություն փոխանակել և աշխատել շրջակա միջավայրի հետ): Այդպիսինառավելագույն արդյունք կարելի է ստանալ միայն լիովին շրջելի գործընթացում։ Երբ համակարգը վերափոխվում է առաջին վիճակից երկրորդին, Գիբսի ազատ էներգիայի կրճատումը հավասար է համակարգի կողմից իր միջավայրում կատարվող էներգիայի կրճատմանը` հանած ճնշման ուժերի աշխատանքը:

Հավասարակշռության վիճակներ

Թերմոդինամիկական և մեխանիկական հավասարակշռությունը թերմոդինամիկայի աքսիոմատիկ հասկացությունն է։ Սա մեկ կամ մի քանի համակարգերի ներքին վիճակն է, որոնք միացված են քիչ թե շատ թափանցելի կամ անթափանց պատերով: Այս վիճակում նյութի կամ էներգիայի մաքուր մակրոսկոպիկ հոսքեր չկան՝ համակարգում կամ համակարգերի միջև:

Ներքին հավասարակշռության վիճակի սեփական հայեցակարգում մակրոսկոպիկ փոփոխություն տեղի չի ունենում: Համակարգերը միաժամանակ գտնվում են փոխադարձ ջերմային, մեխանիկական, քիմիական (հաստատուն), ճառագայթային հավասարակշռության մեջ։ Նրանք կարող են լինել նույն ձևով: Այս գործընթացում բոլոր դիտումները պահվում են միանգամից և անորոշ ժամանակով, մինչև ֆիզիկական գործողությունը չխախտվի: Մակրոսկոպիկ հավասարակշռության պայմաններում կատարյալ ճշգրիտ հավասարակշռված փոխանակումներ են տեղի ունենում: Վերոհիշյալ ապացույցը այս հայեցակարգի ֆիզիկական բացատրությունն է:

Հիմունքներ

Յուրաքանչյուր օրենք, թեորեմա, բանաձև ունի իր հիմքերը: Դիտարկենք փուլային հավասարակշռության օրենքի 3 հիմքերը։

• Փուլը նյութի ձև է, որը միատարր է քիմիական կազմով, ֆիզիկական վիճակով և մեխանիկական հավասարակշռությամբ: Բնորոշ փուլերն են՝ պինդ, հեղուկ և գազային:Երկու չխառնվող հեղուկներ (կամ տարբեր բաղադրությամբ հեղուկ խառնուրդներ), որոնք առանձնացված են առանձին սահմանով, համարվում են երկու տարբեր փուլեր և չխառնվող պինդներ:
• Բաղադրիչների թիվը (C) համակարգի քիմիապես անկախ բաղադրիչների թիվն է: Համակարգի բոլոր փուլերի կազմը որոշելու համար պահանջվող անկախ տեսակների նվազագույն քանակը։
• Ազատության աստիճանների թիվը (F) այս համատեքստում ինտենսիվ փոփոխականների թիվն է, որոնք անկախ են միմյանցից:

Դասակարգում ըստ փուլային հավասարակշռությունների

• Շարունակական զուտ փոխանցման ռեակցիաները (հաճախ կոչվում են պինդ վիճակի ռեակցիաներ) տեղի են ունենում տարբեր կազմի պինդ նյութերի միջև: Դրանք կարող են ներառել հեղուկներում հայտնաբերված տարրեր (H, C), բայց այդ տարրերը պահպանվում են պինդ փուլերում, ուստի ոչ մի հեղուկ փուլ չի ներգրավվում որպես ռեակտիվ կամ արտադրանք (H₂O, CO2_{): Պինդ մաքուր փոխանցման ռեակցիաները կարող են լինել շարունակական կամ ընդհատվող կամ վերջնական:}
• Պոլիմորֆը պինդ փուլային ռեակցիայի հատուկ տեսակ է, որը ներառում է նույնական կազմի փուլեր: Դասական օրինակներ են ալյումինի սիլիկատների կիանիտ-սիլիմանիտ-անդալուզիտ ռեակցիաները, գրաֆիտի փոխակերպումը ադամանդի բարձր ճնշման և կալցիումի կարբոնատի հավասարակշռությունը::

Հավասարակշռության օրենքներ

Գիբսի գործարանի կանոնը առաջարկվել է Ջոսիա Ուիլարդ Գիբսի կողմից իր «Հետերոգեն նյութերի հավասարակշռությունը» վերնագրով հայտնի աշխատության մեջ, որը հայտնվել է 1875-ից 1878 թվականներին: Դա վերաբերում էոչ ռեակտիվ բազմաբաղադրիչ տարասեռ համակարգեր թերմոդինամիկական հավասարակշռության մեջ և տրված հավասարություն է՝

• F=C-P+2;
• որտեղ F-ը ազատության աստիճանների թիվն է;
• C – բաղադրիչների քանակը;
• P - միմյանց հետ թերմոդինամիկական հավասարակշռության փուլերի քանակը:

Ազատության աստիճանների թիվը չզբաղված ինտենսիվ փոփոխականների թիվն է: Ամենամեծ թվով թերմոդինամիկական պարամետրեր, ինչպիսիք են ջերմաստիճանը կամ ճնշումը, որոնք կարող են տարբեր լինել միաժամանակ և կամայականորեն՝ առանց միմյանց վրա ազդելու: Մեկ բաղադրիչ համակարգի օրինակ է մեկ մաքուր քիմիական համակարգով, մինչդեռ երկու բաղադրիչ համակարգերը, ինչպիսիք են ջրի և էթանոլի խառնուրդները, ունեն երկու անկախ բաղադրիչ: Տիպիկ փուլային անցումները (փուլային հավասարակշռություն) են պինդ մարմինները, հեղուկները, գազերը:

Փուլային կանոն մշտական ճնշման դեպքում

Նյութերագիտության մեջ կիրառությունների համար, որոնք վերաբերում են տարբեր պինդ կառույցների միջև փուլային փոփոխություններին, հաճախ առաջանում է մշտական ճնշում (օրինակ՝ մեկ մթնոլորտ) և անտեսվում է որպես ազատության աստիճան, ուստի կանոնը դառնում է. F=C - P + 1:.

Այս բանաձևը երբեմն ներմուծվում է «խտացված փուլային կանոն» անվան տակ, սակայն, ինչպես գիտենք, այն կիրառելի չէ բարձր ճնշումների ենթարկվող այս համակարգերի համար (օրինակ՝ երկրաբանության մեջ), քանի որ դրանց հետևանքները. ճնշումները կարող են աղետալի հետևանքներ առաջացնել։

Կարող է թվալ, որ փուլային հավասարակշռությունը պարզապես դատարկ արտահայտություն է, և կան քիչ ֆիզիկական գործընթացներ, որոնցում այս պահըներգրավված է, բայց, ինչպես տեսանք, առանց դրա, մեզ հայտնի օրենքներից շատերը չեն գործում, այնպես որ դուք պետք է մի փոքր ծանոթանաք այս յուրահատուկ, գունեղ, թեև մի փոքր ձանձրալի կանոններին: Այս գիտելիքն օգնել է շատ մարդկանց: Նրանք սովորեցին, թե ինչպես դրանք կիրառել իրենց վրա, օրինակ՝ էլեկտրիկները, իմանալով փուլերի հետ աշխատելու կանոնները, կարող են պաշտպանվել ավելորդ վտանգից։