Pomemben del termodinamike je preučevanje transformacij med različnimi fazami snovi, saj se ti procesi pojavljajo v praksi in so temeljnega pomena za napovedovanje obnašanja sistema v določenih pogojih. Te transformacije se imenujejo fazni prehodi, ki jim je članek posvečen.
Koncept faze in sistemske komponente
Preden nadaljujemo z obravnavo faznih prehodov v fiziki, je treba opredeliti pojem same faze. Kot je znano iz tečaja splošne fizike, obstajajo tri agregatna stanja: plinasto, trdno in tekoče. V posebnem delu znanosti - v termodinamiki - so zakoni oblikovani za faze snovi in ne za njihova agregirana stanja. Faza je določena prostornina snovi, ki ima homogeno strukturo, za katero so značilne specifične fizikalne in kemijske lastnosti in je od ostale snovi ločena z mejami, ki jih imenujemo interfaza.
Tako koncept "faze" nosi veliko bolj praktično pomembne informacije o lastnostihmaterijo kot njeno agregacijsko stanje. Na primer, trdno stanje kovine, kot je železo, je lahko v naslednjih fazah: nizkotemperaturna magnetna kubika s telesnim središčem (BCC), nizkotemperaturna nemagnetna bcc, obrazno osredotočena kubika (fcc) in visoko- temperatura nemagnetna skrita kopija.
Poleg koncepta "faze" zakoni termodinamike uporabljajo tudi izraz "komponente", ki pomeni število kemičnih elementov, ki sestavljajo določen sistem. To pomeni, da je faza lahko enokomponentna (1 kemični element) ali večkomponentna (več kemičnih elementov).
Gibbsov izrek in ravnotežje med fazami sistema
Za razumevanje faznih prehodov je potrebno poznati ravnotežne pogoje med njimi. Te pogoje je mogoče matematično dobiti z reševanjem sistema Gibbsovih enačb za vsako od njih, ob predpostavki, da je ravnotežno stanje doseženo, ko se skupna Gibbsova energija sistema, izoliranega od zunanjih vplivov, preneha spreminjati.
Kot rezultat reševanja navedenega sistema enačb so pridobljeni pogoji za obstoj ravnotežja med več fazami: izoliran sistem se bo prenehal razvijati šele, ko bodo tlaki, kemični potenciali posamezne komponente in temperature v vseh fazah sta enaka drug drugemu.
Gibbsovo fazno pravilo za ravnotežje
Sistem, sestavljen iz več faz in komponent, je lahko v ravnotežju ne samopod določenimi pogoji, na primer pri določeni temperaturi in tlaku. Nekatere spremenljivke v Gibbsovem izreku za ravnotežje je mogoče spremeniti, hkrati pa ohraniti tako število faz kot število komponent, ki so v tem ravnotežju. Število spremenljivk, ki jih je mogoče spremeniti, ne da bi porušili ravnotežje v sistemu, imenujemo število svoboščin tega sistema.
Število svoboščin l sistema, sestavljenega iz f faz in k komponent, je enolično določeno iz Gibbsovega faznega pravila. To pravilo je matematično zapisano takole: l + f=k + 2. Kako delati s tem pravilom? Zelo preprosto. Na primer, znano je, da je sistem sestavljen iz f=3 ravnotežnih faz. Kakšno je najmanjše število komponent, ki jih lahko vsebuje tak sistem? Na vprašanje lahko odgovorite z razmišljanjem, kot sledi: v primeru ravnotežja obstajajo najstrožji pogoji, ko se uresniči le pri določenih kazalnikih, to pomeni, da bo sprememba katerega koli termodinamičnega parametra povzročila neravnovesje. To pomeni, da je število svoboščin l=0. Če zamenjamo znane vrednosti l in f, dobimo k=1, torej sistem, v katerem so tri faze v ravnotežju, je lahko sestavljen iz ene komponente. Najboljši primer je trojna točka vode, kjer so led, tekoča voda in para v ravnotežju pri določenih temperaturah in tlakih.
Klasifikacija faznih transformacij
Če začnete spreminjati nekatere termodinamične parametre v sistemu v ravnotežju, lahko opazujete, kako bo ena faza izginila in se pojavila druga. Preprost primer tega procesa je taljenje ledu, ko se segreje.
Glede na to, da je Gibbsova enačba odvisna samo od dveh spremenljivk (tlaka in temperature) in fazni prehod vključuje spremembo teh spremenljivk, potem lahko matematično opišemo prehod med fazami z razlikovanjem Gibbsove energije glede na njeno spremenljivke. Prav ta pristop je uporabil avstrijski fizik Paul Ehrenfest leta 1933, ko je sestavil klasifikacijo vseh znanih termodinamičnih procesov, ki se pojavljajo s spremembo faznega ravnotežja.
Iz osnov termodinamike sledi, da je prvi izvod Gibbsove energije glede na temperaturo enak spremembi entropije sistema. Izvod Gibbsove energije glede na tlak je enak spremembi prostornine. Če se ob spremembi faz v sistemu entropija ali prostornina zlomita, torej nenadoma se spremenita, potem govorijo o faznem prehodu prvega reda.
Poleg tega sta drugi izpeljanki Gibbsove energije glede na temperaturo in tlak toplotna kapaciteta oziroma koeficient prostorninskega raztezanja. Če transformacijo med fazami spremlja diskontinuiteta v vrednostih navedenih fizikalnih veličin, potem govorimo o faznem prehodu drugega reda.
Primeri transformacij med fazami
V naravi je ogromno različnih prehodov. V okviru te klasifikacije so presenetljivi primeri prehodov prve vrste procesi taljenja kovin ali kondenzacije vodne pare iz zraka, ko pride do volumskega skoka v sistemu.
Če govorimo o prehodih drugega reda, potem so presenetljivi primeri pretvorba železa iz magnetnega v paramagnetno stanje pri temperaturi768 ºC ali pretvorba kovinskega prevodnika v superprevodno stanje pri temperaturah blizu absolutne ničle.
Enačbe, ki opisujejo prehode prve vrste
V praksi je pogosto treba vedeti, kako se spreminjajo temperatura, tlak in absorbirana (sproščena) energija v sistemu, ko v njem pride do faznih transformacij. V ta namen se uporabljata dve pomembni enačbi. Pridobljeni so na podlagi poznavanja osnov termodinamike:
- Clapeyronova formula, ki vzpostavlja razmerje med tlakom in temperaturo med transformacijami med različnimi fazami.
- Clausiusova formula, ki povezuje absorbirano (sproščeno) energijo in temperaturo sistema med transformacijo.
Uporaba obeh enačb ni le pri pridobivanju kvantitativnih odvisnosti fizikalnih veličin, temveč tudi pri določanju predznaka naklona ravnotežnih krivulj na faznih diagramih.
Enačba za opis prehodov druge vrste
Fazni prehodi 1. in 2. vrste so opisani z različnimi enačbami, saj uporaba Clausiusovih in Clausiusovih enačb za prehode drugega reda vodi v matematično negotovost.
Za opis slednjega se uporabljajo Ehrenfestove enačbe, ki vzpostavljajo razmerje med spremembami tlaka in temperature s poznavanjem sprememb toplotne kapacitete in koeficienta volumetričnega raztezanja med procesom transformacije. Ehrenfestove enačbe se uporabljajo za opis prehodov prevodnik-superprevodnik v odsotnosti magnetnega polja.
Pomenfazni diagrami
Fazni diagrami so grafični prikaz območij, v katerih so ustrezne faze v ravnotežju. Ta območja so ločena z ravnotežnimi črtami med fazami. Pogosto se uporabljajo fazni diagrami P-T (tlak-temperatura), T-V (temperatura-volumen) in P-V (tlak-volumen).
Pomen faznih diagramov je v tem, da vam omogočajo predvidevanje, v kateri fazi bo sistem, ko se zunanji pogoji ustrezno spremenijo. Te informacije se uporabljajo pri toplotni obdelavi različnih materialov, da dobimo strukturo z želenimi lastnostmi.
