A termodinamika egyik fontos része az anyag különböző fázisai közötti átalakulások tanulmányozása, mivel ezek a folyamatok a gyakorlatban előfordulnak, és alapvető fontosságúak a rendszer bizonyos feltételek melletti viselkedésének előrejelzésében. Ezeket a transzformációkat fázisátalakulásoknak nevezzük, amelyeknek a cikk foglalkozik.
A fázis és a rendszerelem fogalma
Mielőtt a fizika fázisátalakulásának vizsgálatához kezdenénk, meg kell határozni magának a fázisnak a fogalmát. Amint az az általános fizika tantárgyaiból ismeretes, az anyagnak három halmazállapota van: gáznemű, szilárd és folyékony. A tudomány egy speciális részében - a termodinamikában - a törvények az anyag fázisaira, nem pedig aggregációs állapotukra vannak megfogalmazva. Fázis alatt egy bizonyos térfogatú anyag értendő, amely homogén szerkezetű, meghatározott fizikai és kémiai tulajdonságokkal jellemezhető, és határok választják el az anyag többi részétől, amelyeket interfázisnak neveznek.
Így a "fázis" fogalma sokkal gyakorlatiasabb információkat hordoz a tulajdonságokrólanyag, mint aggregált állapota. Például egy fém, például a vas szilárd halmazállapota a következő fázisokban lehet: alacsony hőmérsékletű mágneses testközpontú kocka (BCC), alacsony hőmérsékletű nem mágneses bcc, arcközpontú kocka (fcc) és magas- hőmérséklet nem mágneses bcc.
A termodinamika törvényei a "fázis" fogalmán kívül az "összetevők" kifejezést is használják, ami az adott rendszert alkotó kémiai elemek számát jelenti. Ez azt jelenti, hogy a fázis lehet egykomponensű (1 kémiai elem) vagy többkomponensű (több kémiai elem).
Gibbs-tétel és a rendszer fázisai közötti egyensúly
A fázisátalakulások megértéséhez ismerni kell a köztük lévő egyensúlyi feltételeket. Ezeket a feltételeket matematikailag úgy kaphatjuk meg, hogy mindegyikre megoldjuk a Gibbs-egyenletrendszert, feltételezve, hogy az egyensúlyi állapot akkor jön létre, amikor a külső hatásoktól elkülönített rendszer teljes Gibbs-energiája már nem változik.
A jelzett egyenletrendszer megoldásának eredményeképpen több fázis közötti egyensúly feltétele is létrejön: egy izolált rendszer fejlődése csak akkor szűnik meg, ha az egyes komponensek nyomása, kémiai potenciálja és hőmérséklete minden fázisban egyenlőek egymással.
Gibbs-fázisszabály az egyensúlyhoz
Egy több fázisból és komponensből álló rendszer nem csak egyensúlyban lehetbizonyos körülmények között, például meghatározott hőmérsékleten és nyomáson. A Gibbs-tétel egyensúlyi változói közül néhány megváltoztatható, miközben mind a fázisok, mind az egyensúlyban lévő komponensek száma megmarad. A rendszerben lévő egyensúly megzavarása nélkül megváltoztatható változók számát a rendszer szabadságainak számának nevezzük.
Egy f fázisból és k komponensből álló rendszer l szabadságainak számát a Gibbs fázisszabály határozza meg egyértelműen. Ez a szabály matematikailag a következőképpen van felírva: l + f=k + 2. Hogyan kell dolgozni ezzel a szabállyal? Nagyon egyszerű. Például ismert, hogy a rendszer f=3 egyensúlyi fázisból áll. Mennyi összetevőt tartalmazhat egy ilyen rendszer? A kérdésre az alábbi érveléssel válaszolhatunk: egyensúly esetén a legszigorúbb feltételek akkor állnak fenn, ha az csak bizonyos mutatóknál valósul meg, vagyis bármely termodinamikai paraméter változása egyensúlyhiányhoz vezet. Ez azt jelenti, hogy a szabadságok száma l=0. Az l és f ismert értékeit behelyettesítve k=1-et kapunk, vagyis egy komponensből állhat egy rendszer, amelyben három fázis van egyensúlyban. Kiváló példa erre a víz hármaspontja, ahol a jég, a folyékony víz és a gőz bizonyos hőmérsékleteken és nyomásokon egyensúlyban van.
Fázistranszformációk osztályozása
Ha elkezdi megváltoztatni néhány termodinamikai paramétert egy egyensúlyban lévő rendszerben, megfigyelheti, hogyan tűnik el az egyik fázis, és megjelenik egy másik. Egy egyszerű példa erre a folyamatra a jég olvadása hevítés közben.
Tekintettel arra, hogy a Gibbs-egyenlet csak két változótól (nyomástól és hőmérséklettől) függ, és a fázisátmenet ezen változók változásával jár, akkor a fázisok közötti átmenet matematikailag leírható úgy, hogy a Gibbs-energiát megkülönböztetjük annak függvényében. változók. Ezt a megközelítést alkalmazta Paul Ehrenfest osztrák fizikus 1933-ban, amikor összeállította az összes ismert termodinamikai folyamat osztályozását, amely a fázisegyensúly megváltozásával megy végbe.
A termodinamika alapjaiból következik, hogy a Gibbs-energia hőmérsékletre vonatkozó első deriváltja megegyezik a rendszer entrópiájának változásával. A Gibbs-energia nyomásra vonatkozó deriváltja megegyezik a térfogatváltozással. Ha a rendszer fázisainak megváltozásakor az entrópia vagy térfogat törést szenved, vagyis hirtelen megváltozik, akkor elsőrendű fázisátalakulásról beszélnek.
Továbbá a Gibbs-energia második deriváltja a hőmérséklet és a nyomás tekintetében a hőkapacitás, illetve a térfogattágulási együttható. Ha a fázisok közötti átalakulást a jelzett fizikai mennyiségek értékeinek megszakadása kíséri, akkor másodrendű fázisátalakulásról beszélünk.
Példák a fázisok közötti átalakításokra
Nagyon sok különböző átmenet létezik a természetben. Ezen osztályozás keretein belül az első típusú átmenetek szembetűnő példái a fémek olvadásának folyamatai vagy a levegőből a vízgőz lecsapódása, amikor térfogatugrás történik a rendszerben.
Ha másodrendű átmenetekről beszélünk, akkor szembetűnő példa erre a vas hőmérsékleten történő átalakulása mágnesesből paramágneses állapotba768 ºC, vagy egy fémes vezető szupravezető állapotba történő átalakulása az abszolút nullához közeli hőmérsékleten.
Első típusú átmeneteket leíró egyenletek
A gyakorlatban gyakran szükséges tudni, hogyan változik a hőmérséklet, a nyomás és az elnyelt (felszabaduló) energia egy rendszerben, amikor fázisátalakítások következnek be. Két fontos egyenletet használunk erre a célra. Ezeket a termodinamika alapjainak ismerete alapján kapják:
- Clapeyron képlete, amely megállapítja a nyomás és a hőmérséklet közötti kapcsolatot a különböző fázisok közötti átalakulások során.
- Clausius-képlet, amely összekapcsolja az elnyelt (kibocsátott) energiát és a rendszer hőmérsékletét az átalakulás során.
Mindkét egyenletet nem csak a fizikai mennyiségek kvantitatív függőségének megállapítására használjuk, hanem az egyensúlyi görbék meredekségének előjelét is meghatározzuk a fázisdiagramokon.
Egyenlet a második típusú átmenetek leírására
Az 1. és 2. típusú fázisátmeneteket különböző egyenletek írják le, mivel a Clausius- és Clausius-egyenletek alkalmazása másodrendű átmenetekre matematikai bizonytalansághoz vezet.
Ez utóbbi leírására az Ehrenfest-egyenleteket használjuk, amelyek az átalakulási folyamat során a hőkapacitás és a térfogattágulási együttható változásainak ismeretén keresztül kapcsolatot teremtenek a nyomás és a hőmérséklet változásai között. Az Ehrenfest-egyenletek a vezető-szupravezető átmenetek leírására szolgálnak mágneses tér hiányában.
Fontosfázisdiagramok
A fázisdiagramok olyan területek grafikus ábrázolásai, amelyekben a megfelelő fázisok egyensúlyban vannak. Ezeket a területeket a fázisok közötti egyensúlyi vonalak választják el. Gyakran használják a P-T (nyomás-hőmérséklet), T-V (hőmérséklet-térfogat) és P-V (nyomás-térfogat) fázisdiagramokat.
A fázisdiagramok jelentősége abban rejlik, hogy lehetővé teszik annak előrejelzését, hogy a rendszer milyen fázisban lesz, ha a külső feltételek ennek megfelelően változnak. Ezt az információt különféle anyagok hőkezelésénél használják fel a kívánt tulajdonságokkal rendelkező szerkezet kialakítása érdekében.
