Ai nostri tempi, la fisica è diventata una scienza molto comune. È letteralmente presente ovunque. L'esempio più elementare: un melo cresce nel tuo cortile e i frutti maturano su di esso, arriva il momento e le mele iniziano a cadere, ma in che direzione cadono? Grazie alla legge di gravitazione universale, il nostro feto cade a terra, cioè scende, ma non su. Era uno degli esempi più famosi di fisica, ma poniamo attenzione alla termodinamica, o più precisamente agli equilibri di fase, che non sono meno importanti nella nostra vita.
Termodinamica
Prima di tutto, diamo un'occhiata a questo termine. ΘερΜοδυναΜική - ecco come appare la parola in greco. La prima parte ΘερΜo significa "calore", e la seconda δυναΜική significa "forza". La termodinamica è una branca della fisica che studia le proprietà di un sistema macroscopico, nonché vari modi di convertire e trasferire energia. In questa sezione vengono studiati in modo specifico vari stati e processi affinché il concetto di temperatura possa essere introdotto nella descrizione (questa è una grandezza fisica che caratterizza un sistema termodinamico e si misura utilizzandoalcuni apparecchi). Tutti i processi in corso nei sistemi termodinamici sono descritti solo da quantità microscopiche (pressione e temperatura, nonché concentrazione dei componenti).
Equazione Clapeyron-Clausius
Ogni fisico conosce questa equazione, ma analizziamola pezzo per pezzo. Si riferisce ai processi di equilibrio del passaggio di una certa materia da una fase all' altra. Questo è chiaramente visibile in tali esempi: fusione, evaporazione, sublimazione (uno dei modi per preservare i prodotti, che avviene rimuovendo completamente l'umidità). La formula mostra chiaramente i processi in corso:
- n=PV/RT;
- dove T è la temperatura della sostanza;
- Pressione P;
- Calore specifico R di transizione di fase;
- V-variazione del volume specifico.
La storia della creazione dell'equazione
L'equazione di Clausius-Clapeyron è un'eccellente spiegazione matematica del secondo principio della termodinamica. Indicato anche come "disuguaglianza di Clausius". Naturalmente, il teorema è stato sviluppato dallo stesso scienziato, che ha voluto spiegare la relazione tra il flusso di calore nel sistema e l'entropia, nonché il suo ambiente. Questa equazione è stata sviluppata da Clausius nei suoi tentativi di spiegare e quantificare l'entropia. In senso letterale, il teorema ci dà l'opportunità di determinare se un processo ciclico è reversibile o irreversibile. Questa disuguaglianza ci offre una formula quantitativa per comprendere la seconda legge.
Lo scienziato è stato uno dei primi a lavorare sull'idea dell'entropia e l'ha persino datanome del processo. Quello che oggi è noto come teorema di Clausius fu pubblicato per la prima volta nel 1862 nella sesta opera di Rudolf, On the Use of the Transformation Equivalence Theorem for Interior Work. Lo scienziato ha cercato di mostrare una relazione proporzionale tra entropia e flusso di energia mediante riscaldamento (δ Q) nel sistema. Nella costruzione, questa energia termica può essere convertita in lavoro e può essere trasformata in calore attraverso un processo ciclico. Rudolph ha dimostrato che "la somma algebrica di tutte le trasformazioni che si verificano in un processo ciclico può essere solo inferiore a zero o, in casi estremi, uguale a zero".
Sistema isolato chiuso
Il sistema isolato è uno dei seguenti:
- Il sistema fisico è lontano dagli altri che non interagiscono con esso.
- Il sistema termodinamico è chiuso da pareti rigide e immobili attraverso le quali non possono passare né materia né energia.
Nonostante il fatto che il soggetto sia internamente correlato alla propria gravità, un sistema isolato viene solitamente portato oltre i limiti delle forze gravitazionali esterne e di altre forze lontane.
Ciò può essere contrastato con quello che (nella terminologia più generale utilizzata in termodinamica) viene chiamato un sistema chiuso circondato da muri selettivi attraverso i quali l'energia può essere trasferita sotto forma di calore o lavoro, ma non di materia. E con un sistema aperto in cui materia ed energia entrano o escono, anche se possono avere diverse pareti impenetrabili inparti dei suoi confini.
Un sistema isolato obbedisce alla legge di conservazione. Molto spesso in termodinamica, materia ed energia sono considerati concetti separati.
Transizioni termodinamiche
Per comprendere le transizioni di fase quantistiche, è utile confrontarle con le trasformazioni classiche (chiamate anche inversioni termiche). CPT descrive la cuspide nelle proprietà termodinamiche di un sistema. Segnala la riorganizzazione delle particelle. Un tipico esempio è la transizione di congelamento dell'acqua, che descrive una transizione graduale tra un liquido e un solido. Le crescite di fase classiche sono dovute alla competizione tra l'energia del sistema e l'entropia delle sue fluttuazioni termiche.
Un sistema classico non ha entropia a temperatura zero e quindi non può verificarsi alcuna trasformazione di fase. Il loro ordine è determinato dal primo potenziale termodinamico derivato discontinuo. E, naturalmente, ha il primo ordine. Le trasformazioni di fase da un ferromagnete a un paramagnete sono continue e del secondo ordine. Questi cambiamenti costanti da una fase ordinata a una disordinata sono descritti da un parametro d'ordine che è zero. Per la suddetta trasformazione ferromagnetica, il parametro dell'ordine sarà la magnetizzazione totale del sistema.
Potenziale di Gibbs
La Gibbs Free Energy è la massima quantità di lavoro senza espansione che può essere rimossa da un sistema termodinamico chiuso (che può scambiare calore e lavorare con l'ambiente). Taleil massimo risultato può essere ottenuto solo in un processo completamente reversibile. Quando il sistema ritorna dal primo stato al secondo, la riduzione dell'energia libera di Gibbs è uguale a quella eseguita dal sistema nel suo ambiente, meno il lavoro delle forze di pressione.
Stati di equilibrio
L'equilibrio termodinamico e meccanico è un concetto assiomatico della termodinamica. Questo è lo stato interno di uno o più sistemi che sono collegati da pareti più o meno permeabili o impermeabili. In questo stato, non ci sono flussi macroscopici puri di materia o energia, né all'interno di un sistema né tra sistemi.
Nella sua concezione dello stato di equilibrio interno, il cambiamento macroscopico non si verifica. I sistemi sono simultaneamente in reciproco equilibrio termico, meccanico, chimico (costante), di radiazione. Possono essere nella stessa forma. In questo processo, tutte le viste vengono salvate contemporaneamente e indefinitamente fino a quando l'operazione fisica non viene interrotta. In equilibrio macroscopico avvengono scambi bilanciati perfettamente precisi. La dimostrazione di cui sopra è una spiegazione fisica di questo concetto.
Nozioni di base
Ogni legge, teorema, formula ha i suoi fondamenti. Diamo un'occhiata ai 3 fondamenti della legge dell'equilibrio di fase.
- La fase è una forma di materia, omogenea per composizione chimica, stato fisico ed equilibrio meccanico. Le fasi tipiche sono solida, liquida e gassosa. Due liquidi immiscibili (o miscele liquide di diversa composizione) separati da un confine separato sono considerati due fasi distinte e solidi immiscibili.
- Il numero di componenti (C) è il numero di componenti chimicamente indipendenti del sistema. Il numero minimo di specie indipendenti richiesto per determinare la composizione di tutte le fasi del sistema.
- Il numero di gradi di libertà (F) in questo contesto è il numero di variabili intensive indipendenti l'una dall' altra.
Classificazione per equilibri di fase
- Reazioni di trasferimento netto continuo (spesso chiamate reazioni allo stato solido) si verificano tra materia solida di diversa composizione. Possono includere elementi che si trovano nei liquidi (H, C), ma questi elementi sono trattenuti in fasi solide, quindi nessuna fase liquida è coinvolta come reagenti o prodotti (H2O, CO2). Le reazioni di trasferimento solido puro possono essere continue o discontinue o terminali.
- I polimorfi sono un tipo speciale di reazione in fase solida che include fasi di composizione identica. Esempi classici sono le reazioni tra silicati di alluminio cianite-sillimanite-andalusite, la conversione della grafite in diamante ad alta pressione e l'equilibrio del carbonato di calcio.
Leggi dell'equilibrio
The Gibbs Factory Rule è stato proposto da Josiah Willard Gibbs nel suo famoso articolo intitolato "The Equilibrium of Heterogeneous Substances", apparso dal 1875 al 1878. Si applica asistemi eterogenei multicomponenti non reattivi in equilibrio termodinamico ed è una data uguaglianza:
- FA=C-P+2;
- dove F è il numero di gradi di libertà;
- C – numero di componenti;
- P - numero di fasi in equilibrio termodinamico tra loro.
Il numero di gradi di libertà è il numero di variabili intensive non occupate. Il maggior numero di parametri termodinamici, come temperatura o pressione, che possono variare simultaneamente e arbitrariamente senza influenzarsi a vicenda. Un esempio di un sistema a un componente è quello con una singola sostanza chimica pura, mentre i sistemi a due componenti, come le miscele di acqua ed etanolo, hanno due componenti indipendenti. Tipiche transizioni di fase (equilibrio di fase) sono solidi, liquidi, gas.
Regola di fase a pressione costante
Per le applicazioni nella scienza dei materiali che si occupano di cambiamenti di fase tra diverse strutture solide, spesso si verifica una pressione costante (ad esempio un'atmosfera) e viene ignorata come grado di libertà, quindi la regola diventa: F=C - P + 1.
Questa formula viene talvolta introdotta sotto il nome di "regola della fase condensata", ma come sappiamo non è applicabile a questi sistemi soggetti ad alte pressioni (ad esempio in geologia), poiché le conseguenze di questi pressioni possono causare conseguenze catastrofiche.
Può sembrare che l'equilibrio di fase sia solo una frase vuota, e ci sono pochi processi fisici in cui questo momentoè coinvolto, ma, come abbiamo visto, senza di essa molte delle leggi che conosciamo non funzionano, quindi è necessario familiarizzare un po' con queste regole uniche, colorate, anche se un po' noiose. Questa conoscenza ha aiutato molte persone. Hanno imparato ad applicarli a se stessi, ad esempio, gli elettricisti, conoscendo le regole per lavorare con le fasi, possono proteggersi da pericoli inutili.
