Bahagian penting dalam termodinamik ialah kajian tentang perubahan antara fasa bahan yang berbeza, kerana proses ini berlaku dalam amalan dan merupakan kepentingan asas untuk meramalkan kelakuan sistem dalam keadaan tertentu. Transformasi ini dipanggil peralihan fasa, yang artikel itu didedikasikan.
Konsep fasa dan komponen sistem
Sebelum meneruskan pertimbangan peralihan fasa dalam fizik, adalah perlu untuk mentakrifkan konsep fasa itu sendiri. Seperti yang diketahui dari kursus fizik am, terdapat tiga keadaan jirim: gas, pepejal dan cecair. Dalam bahagian khas sains - dalam termodinamik - undang-undang dirumus untuk fasa jirim, dan bukan untuk keadaan pengagregatannya. Fasa difahami sebagai isipadu jirim tertentu yang mempunyai struktur homogen, dicirikan oleh sifat fizikal dan kimia tertentu dan dipisahkan daripada jirim yang lain oleh sempadan, yang dipanggil interfasa.
Oleh itu, konsep "fasa" membawa maklumat yang jauh lebih penting secara praktikal tentang sifatperkara daripada keadaan pengagregatannya. Sebagai contoh, keadaan pepejal logam seperti besi boleh berada dalam fasa berikut: kubik berpusat badan magnet suhu rendah (BCC), bcc bukan magnet suhu rendah, kubik berpusat muka (fcc) dan tinggi- suhu bcc bukan magnet.
Selain konsep "fasa", undang-undang termodinamik juga menggunakan istilah "komponen", yang bermaksud bilangan unsur kimia yang membentuk sistem tertentu. Ini bermakna fasa boleh sama ada monokomponen (1 unsur kimia) atau multikomponen (beberapa unsur kimia).
teorem Gibbs dan keseimbangan antara fasa sistem
Untuk memahami peralihan fasa, adalah perlu untuk mengetahui keadaan keseimbangan antara mereka. Keadaan ini boleh diperoleh secara matematik dengan menyelesaikan sistem persamaan Gibbs bagi setiap satu daripadanya, dengan mengandaikan bahawa keadaan keseimbangan dicapai apabila jumlah tenaga Gibbs sistem yang diasingkan daripada pengaruh luar tidak lagi berubah.
Sebagai hasil daripada menyelesaikan sistem persamaan yang ditunjukkan, keadaan diperolehi untuk kewujudan keseimbangan antara beberapa fasa: sistem terpencil akan berhenti berkembang hanya apabila tekanan, potensi kimia setiap komponen dan suhu dalam semua fasa adalah sama antara satu sama lain.
Peraturan fasa Gibbs untuk keseimbangan
Sistem yang terdiri daripada beberapa fasa dan komponen boleh berada dalam keseimbangan bukan sahajadalam keadaan tertentu, contohnya, pada suhu dan tekanan tertentu. Beberapa pembolehubah dalam teorem Gibbs untuk keseimbangan boleh diubah sambil mengekalkan kedua-dua bilangan fasa dan bilangan komponen yang berada dalam keseimbangan ini. Bilangan pembolehubah yang boleh diubah tanpa mengganggu keseimbangan dalam sistem dipanggil bilangan kebebasan sistem ini.
Bilangan kebebasan l sistem yang terdiri daripada fasa f dan komponen k ditentukan secara unik daripada peraturan fasa Gibbs. Peraturan ini ditulis secara matematik seperti berikut: l + f=k + 2. Bagaimana untuk bekerja dengan peraturan ini? Sangat ringkas. Sebagai contoh, diketahui bahawa sistem terdiri daripada f=3 fasa keseimbangan. Apakah bilangan minimum komponen sistem sedemikian boleh mengandungi? Anda boleh menjawab soalan dengan membuat alasan seperti berikut: dalam kes keseimbangan, keadaan yang paling ketat wujud apabila ia direalisasikan hanya pada penunjuk tertentu, iaitu, perubahan dalam mana-mana parameter termodinamik akan membawa kepada ketidakseimbangan. Ini bermakna bilangan kebebasan l=0. Menggantikan nilai l dan f yang diketahui, kita memperoleh k=1, iaitu sistem di mana tiga fasa berada dalam keseimbangan boleh terdiri daripada satu komponen. Contoh utama ialah titik tiga air, di mana ais, air cecair dan wap wujud dalam keseimbangan pada suhu dan tekanan tertentu.
Klasifikasi transformasi fasa
Jika anda mula menukar beberapa parameter termodinamik dalam sistem dalam keseimbangan, anda boleh memerhatikan bagaimana satu fasa akan hilang dan satu lagi akan muncul. Contoh mudah proses ini ialah pencairan ais apabila ia dipanaskan.
Memandangkan persamaan Gibbs bergantung hanya pada dua pembolehubah (tekanan dan suhu), dan peralihan fasa melibatkan perubahan dalam pembolehubah ini, maka secara matematik peralihan antara fasa boleh diterangkan dengan membezakan tenaga Gibbs berkenaan dengannya. pembolehubah. Pendekatan inilah yang digunakan oleh ahli fizik Austria Paul Ehrenfest pada tahun 1933, apabila dia menyusun klasifikasi semua proses termodinamik yang diketahui yang berlaku dengan perubahan keseimbangan fasa.
Daripada asas-asas termodinamik, ia berikutan bahawa terbitan pertama tenaga Gibbs berkenaan dengan suhu adalah sama dengan perubahan dalam entropi sistem. Terbitan tenaga Gibbs berkenaan dengan tekanan adalah sama dengan perubahan isipadu. Jika, apabila fasa dalam sistem berubah, entropi atau volum mengalami pecah, iaitu, ia berubah secara tiba-tiba, maka ia bercakap tentang peralihan fasa tertib pertama.
Selanjutnya, terbitan kedua bagi tenaga Gibbs berkenaan dengan suhu dan tekanan ialah kapasiti haba dan pekali pengembangan isipadu, masing-masing. Jika penjelmaan antara fasa disertai dengan ketakselanjaran dalam nilai kuantiti fizik yang ditunjukkan, maka seseorang bercakap tentang peralihan fasa tertib kedua.
Contoh transformasi antara fasa
Terdapat sejumlah besar peralihan yang berbeza dalam alam semula jadi. Dalam rangka pengelasan ini, contoh peralihan yang ketara bagi jenis pertama ialah proses mencairkan logam atau pemeluwapan wap air daripada udara, apabila terdapat lonjakan isipadu dalam sistem.
Jika kita bercakap tentang peralihan tertib kedua, maka contoh yang menarik ialah perubahan besi daripada keadaan magnet kepada keadaan paramagnet pada suhu768 ºC atau perubahan konduktor logam kepada keadaan superkonduktor pada suhu yang hampir kepada sifar mutlak.
Persamaan yang menerangkan peralihan jenis pertama
Dalam amalan, selalunya perlu untuk mengetahui bagaimana suhu, tekanan dan tenaga yang diserap (dilepaskan) berubah dalam sistem apabila perubahan fasa berlaku di dalamnya. Dua persamaan penting digunakan untuk tujuan ini. Ia diperoleh berdasarkan pengetahuan asas termodinamik:
- Formula Clapeyron, yang mewujudkan hubungan antara tekanan dan suhu semasa transformasi antara fasa yang berbeza.
- Formula Clausius yang menghubungkan tenaga yang diserap (dilepaskan) dan suhu sistem semasa transformasi.
Penggunaan kedua-dua persamaan bukan sahaja dalam mendapatkan pergantungan kuantitatif kuantiti fizik, tetapi juga dalam menentukan tanda kecerunan lengkung keseimbangan pada rajah fasa.
Persamaan untuk menerangkan peralihan jenis kedua
Peralihan fasa jenis 1 dan 2 diterangkan oleh persamaan yang berbeza, kerana penggunaan persamaan Clausius dan Clausius untuk peralihan tertib kedua membawa kepada ketidakpastian matematik.
Untuk menerangkan yang terakhir, persamaan Ehrenfest digunakan, yang mewujudkan hubungan antara perubahan tekanan dan suhu melalui pengetahuan tentang perubahan dalam kapasiti haba dan pekali pengembangan isipadu semasa proses transformasi. Persamaan Ehrenfest digunakan untuk menerangkan peralihan konduktor-superkonduktor tanpa ketiadaan medan magnet.
Kepentinganrajah fasa
Rajah fasa ialah gambaran grafik bagi kawasan di mana fasa yang sepadan wujud dalam keseimbangan. Kawasan ini dipisahkan oleh garis keseimbangan antara fasa. Rajah fasa P-T (suhu-tekanan), T-V (isipadu-suhu) dan P-V (isipadu-tekanan) sering digunakan.
Kepentingan gambar rajah fasa terletak pada fakta bahawa ia membolehkan anda meramalkan fasa mana sistem akan berada apabila keadaan luaran berubah dengan sewajarnya. Maklumat ini digunakan dalam rawatan haba pelbagai bahan untuk mendapatkan struktur dengan sifat yang diingini.
