'n Belangrike gedeelte van termodinamika is die studie van transformasies tussen verskillende fases van 'n stof, aangesien hierdie prosesse in die praktyk plaasvind en van fundamentele belang is vir die voorspelling van die gedrag van 'n sisteem onder sekere toestande. Hierdie transformasies word fase-oorgange genoem, waaraan die artikel gewy is.
Die konsep van 'n fase en 'n stelselkomponent
Voordat jy voortgaan met die oorweging van fase-oorgange in fisika, is dit nodig om die konsep van die fase self te definieer. Soos bekend uit die verloop van algemene fisika, is daar drie toestande van materie: gasvormig, vaste stof en vloeistof. In 'n spesiale afdeling van die wetenskap - in termodinamika - word die wette geformuleer vir die fases van materie, en nie vir hul toestande van aggregasie nie. 'n Fase word verstaan as 'n sekere volume materie wat 'n homogene struktuur het, gekenmerk word deur spesifieke fisiese en chemiese eienskappe en geskei word van die res van materie deur grense, wat interfase genoem word.
Dus, die konsep van "fase" dra baie meer prakties betekenisvolle inligting oor die eiendommematerie as sy toestand van samevoeging. Byvoorbeeld, die vaste toestand van 'n metaal soos yster kan in die volgende fases wees: lae-temperatuur magnetiese liggaam-gesentreerde kubieke (BCC), lae-temperatuur nie-magnetiese bcc, gesig-gesentreerde kubieke (fcc) en hoë- temperatuur nie-magnetiese bcc.
Benewens die konsep van "fase", gebruik die wette van termodinamika ook die term "komponente", wat beteken die aantal chemiese elemente waaruit 'n bepaalde sisteem bestaan. Dit beteken dat die fase of monokomponent (1 chemiese element) of multikomponent (verskeie chemiese elemente) kan wees.
Gibbs se stelling en ewewig tussen fases van die stelsel
Om fase-oorgange te verstaan, is dit nodig om die ewewigstoestande tussen hulle te ken. Hierdie toestande kan wiskundig verkry word deur die stelsel Gibbs-vergelykings vir elkeen van hulle op te los, met die veronderstelling dat die ewewigstoestand bereik word wanneer die totale Gibbs-energie van die sisteem wat van eksterne invloed geïsoleer is, ophou verander.
As gevolg van die oplossing van die aangeduide stelsel vergelykings, word toestande verkry vir die bestaan van ewewig tussen verskeie fases: 'n geïsoleerde stelsel sal ophou ontwikkel slegs wanneer die druk, chemiese potensiaal van elke komponent en temperature in alle fases is gelyk aan mekaar.
Gibbs-fasereël vir ewewig
'n Stelsel wat uit verskeie fases en komponente bestaan, kan nie net in ewewig wees nieonder sekere toestande, byvoorbeeld by 'n spesifieke temperatuur en druk. Sommige van die veranderlikes in die Gibbs-stelling vir ewewig kan verander word terwyl beide die aantal fases en die aantal komponente wat in hierdie ewewig is, gehandhaaf word. Die aantal veranderlikes wat verander kan word sonder om die ewewig in die stelsel te versteur, word die aantal vryhede van hierdie stelsel genoem.
Die aantal vryhede l van 'n stelsel wat uit f-fases en k-komponente bestaan, word uniek bepaal uit die Gibbs-fasereël. Hierdie reël word wiskundig soos volg geskryf: l + f=k + 2. Hoe om met hierdie reël te werk? Baie eenvoudig. Dit is byvoorbeeld bekend dat die sisteem uit f=3 ewewigsfases bestaan. Wat is die minimum aantal komponente wat so 'n stelsel kan bevat? U kan die vraag beantwoord deur soos volg te redeneer: in die geval van ewewig bestaan die strengste voorwaardes wanneer dit slegs by sekere aanwysers gerealiseer word, dit wil sê 'n verandering in enige termodinamiese parameter sal tot wanbalans lei. Dit beteken dat die aantal vryhede l=0. Deur die bekende waardes van l en f te vervang, kry ons k=1, dit wil sê, 'n stelsel waarin drie fases in ewewig is, kan uit een komponent bestaan. 'n Goeie voorbeeld is die driedubbele punt van water, waar ys, vloeibare water en stoom in ewewig by spesifieke temperature en druk bestaan.
Klassifikasie van fasetransformasies
As jy begin om 'n paar termodinamiese parameters in 'n stelsel in ewewig te verander, kan jy sien hoe een fase sal verdwyn en 'n ander sal verskyn. 'n Eenvoudige voorbeeld van hierdie proses is die smelt van ys wanneer dit verhit word.
Gegee dat die Gibbs-vergelyking slegs afhanklik is van twee veranderlikes (druk en temperatuur), en die fase-oorgang 'n verandering in hierdie veranderlikes behels, dan kan die oorgang tussen fases wiskundig beskryf word deur die Gibbs-energie te onderskei met betrekking tot sy veranderlikes. Dit was hierdie benadering wat deur die Oostenrykse fisikus Paul Ehrenfest in 1933 gebruik is, toe hy 'n klassifikasie saamgestel het van alle bekende termodinamiese prosesse wat plaasvind met 'n verandering in fase-ewewig.
Uit die basiese beginsels van termodinamika volg dit dat die eerste afgeleide van die Gibbs-energie ten opsigte van temperatuur gelyk is aan die verandering in die entropie van die sisteem. Die afgeleide van die Gibbs-energie met betrekking tot druk is gelyk aan die verandering in volume. As, wanneer die fases in die sisteem verander, die entropie of volume breek, dit wil sê hulle verander skielik, dan praat hulle van 'n eerste-orde fase-oorgang.
Verder is die tweede afgeleides van die Gibbs-energie met betrekking tot temperatuur en druk onderskeidelik die hittekapasiteit en die koëffisiënt van volumetriese uitsetting. As die transformasie tussen fases gepaard gaan met 'n diskontinuïteit in die waardes van die aangeduide fisiese groothede, dan praat 'n mens van 'n tweede-orde fase-oorgang.
Voorbeelde van transformasies tussen fases
Daar is 'n groot aantal verskillende oorgange in die natuur. Binne die raamwerk van hierdie klassifikasie is treffende voorbeelde van oorgange van die eerste soort die prosesse van smelt van metale of die kondensasie van waterdamp uit lug, wanneer daar 'n volumesprong in die sisteem is.
As ons praat van tweede-orde oorgange, dan is treffende voorbeelde die transformasie van yster van 'n magnetiese na 'n paramagnetiese toestand by 'n temperatuur768 ºC of die transformasie van 'n metaalgeleier in 'n supergeleidende toestand by temperature naby aan absolute nul.
Vergelykings wat oorgange van die eerste soort beskryf
In die praktyk is dit dikwels nodig om te weet hoe die temperatuur, druk en geabsorbeerde (vrygestelde) energie in 'n sisteem verander wanneer fasetransformasies daarin plaasvind. Twee belangrike vergelykings word vir hierdie doel gebruik. Hulle word verkry op grond van die kennis van die basiese beginsels van termodinamika:
- Clapeyron se formule, wat die verband tussen druk en temperatuur tydens transformasies tussen verskillende fases vasstel.
- Clausius-formule wat die geabsorbeerde (vrygestelde) energie en die temperatuur van die stelsel tydens die transformasie verbind.
Die gebruik van beide vergelykings is nie net in die verkryging van kwantitatiewe afhanklikhede van fisiese hoeveelhede nie, maar ook in die bepaling van die teken van die helling van ewewigskrommes op fasediagramme.
Vergelyking vir die beskrywing van oorgange van die tweede soort
Fase-oorgange van die 1ste en 2de soort word deur verskillende vergelykings beskryf, aangesien die toepassing van die Clausius- en Clausius-vergelykings vir tweede-orde oorgange tot wiskundige onsekerheid lei.
Om laasgenoemde te beskryf, word die Ehrenfest-vergelykings gebruik, wat 'n verband tussen veranderinge in druk en temperatuur vasstel deur kennis van veranderinge in hittekapasiteit en koëffisiënt van volumetriese uitsetting tydens die transformasieproses. Die Ehrenfest-vergelykings word gebruik om geleier-suprageleier-oorgange in die afwesigheid van 'n magneetveld te beskryf.
Belangrikheidfasediagramme
Fasediagramme is 'n grafiese voorstelling van gebiede waarin die ooreenstemmende fases in ewewig bestaan. Hierdie areas word geskei deur ewewigslyne tussen die fases. P-T (druk-temperatuur), T-V (temperatuur-volume) en P-V (druk-volume) fasediagramme word dikwels gebruik.
Die belangrikheid van fasediagramme lê in die feit dat dit jou toelaat om te voorspel in watter fase die stelsel sal wees wanneer die eksterne toestande dienooreenkomstig verander. Hierdie inligting word gebruik in die hittebehandeling van verskeie materiale om 'n struktuur met gewenste eienskappe te verkry.
