ในสมัยของเรา ฟิสิกส์ได้กลายเป็นวิทยาศาสตร์ทั่วไป มันมีอยู่ทุกที่อย่างแท้จริง ตัวอย่างพื้นฐานที่สุด: ต้นแอปเปิ้ลเติบโตในบ้านของคุณและผลสุกเมื่อถึงเวลาและแอปเปิ้ลเริ่มร่วงหล่น แต่จะตกลงไปในทิศทางใด ต้องขอบคุณกฎความโน้มถ่วงสากล ทารกในครรภ์ของเราจึงตกลงสู่พื้น กล่าวคือ ตกลงไปแต่ไม่ขึ้น มันเป็นหนึ่งในตัวอย่างฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงที่สุด แต่มาสนใจเทอร์โมไดนามิกส์หรือให้ตรงกว่านี้ดีกว่า เกี่ยวกับสมดุลของเฟส ซึ่งไม่ได้มีความสำคัญในชีวิตเราน้อยไปสักหน่อย
อุณหพลศาสตร์
ก่อนอื่น มาดูเทอมนี้กัน ΘερΜοδυναΜική - นี่คือลักษณะของคำในภาษากรีก ส่วนแรก ΘερΜo หมายถึง "ความอบอุ่น" และส่วนที่สอง δυναΜική หมายถึง "ความแข็งแกร่ง" เทอร์โมไดนามิกส์เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ศึกษาคุณสมบัติของระบบมหภาค ตลอดจนวิธีการแปลงและถ่ายเทพลังงานด้วยวิธีต่างๆ ในส่วนนี้ มีการศึกษาสถานะและกระบวนการต่างๆ เป็นพิเศษเพื่อให้แนวคิดของอุณหภูมิสามารถนำมาอธิบายได้ (นี่คือปริมาณทางกายภาพที่แสดงคุณลักษณะของระบบเทอร์โมไดนามิกส์และวัดโดยใช้เครื่องใช้บางอย่าง) กระบวนการต่อเนื่องทั้งหมดในระบบเทอร์โมไดนามิกอธิบายโดยปริมาณจุลทรรศน์เท่านั้น (ความดันและอุณหภูมิ ตลอดจนความเข้มข้นของส่วนประกอบ)
สมการคลาปีรอน-คลาวเซียส
นักฟิสิกส์ทุกคนรู้สมการนี้ดี แต่มาแยกเป็นส่วนๆ หมายถึงกระบวนการสมดุลของการเปลี่ยนแปลงของสสารบางอย่างจากระยะหนึ่งไปอีกระยะหนึ่ง เห็นได้ชัดเจนในตัวอย่างนี้: การหลอม การระเหย การระเหิด (วิธีหนึ่งในการรักษาผลิตภัณฑ์ ซึ่งเกิดขึ้นจากการขจัดความชื้นให้หมดไป) สูตรแสดงกระบวนการต่อเนื่องอย่างชัดเจน:
- n=PV/RT;
- โดยที่ T คืออุณหภูมิของสาร
- กดดัน;
- ความร้อนจำเพาะ R ของการเปลี่ยนเฟส
- V-เปลี่ยนวอลุ่มเฉพาะ
ประวัติศาสตร์การสร้างสมการ
สมการคลอสเซียส-คลาเปยรอนเป็นคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ที่ยอดเยี่ยมของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ เรียกอีกอย่างว่า "ความไม่เท่าเทียมกันของ Clausius" โดยธรรมชาติแล้ว ทฤษฎีบทนี้ได้รับการพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์เอง ซึ่งต้องการอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างการไหลของความร้อนในระบบกับเอนโทรปี ตลอดจนสภาพแวดล้อม สมการนี้พัฒนาขึ้นโดย Clausius ในความพยายามที่จะอธิบายและหาปริมาณเอนโทรปี ตามความหมายตามตัวอักษร ทฤษฎีบทให้โอกาสเราในการพิจารณาว่ากระบวนการที่เป็นวัฏจักรนั้นย้อนกลับได้หรือไม่สามารถย้อนกลับได้ ความไม่เท่าเทียมกันนี้ทำให้เรามีสูตรเชิงปริมาณสำหรับการทำความเข้าใจกฎข้อที่สอง
นักวิทยาศาสตร์เป็นคนแรกๆ ที่ทำงานเกี่ยวกับแนวคิดเรื่องเอนโทรปี และยังให้อีกด้วยชื่อกระบวนการ สิ่งที่ตอนนี้รู้จักกันในชื่อทฤษฎีบทของเคลาเซียส ได้รับการตีพิมพ์ครั้งแรกในปี พ.ศ. 2405 ในผลงานชิ้นที่หกของรูดอล์ฟ เรื่อง การใช้ทฤษฎีบทความเท่าเทียมกันของการเปลี่ยนแปลงสำหรับงานตกแต่งภายใน นักวิทยาศาสตร์พยายามแสดงความสัมพันธ์ตามสัดส่วนระหว่างเอนโทรปีและการไหลของพลังงานโดยการให้ความร้อน (δ Q) ในระบบ ในการก่อสร้าง พลังงานความร้อนนี้สามารถแปลงเป็นงาน และสามารถเปลี่ยนเป็นความร้อนได้ผ่านกระบวนการแบบวัฏจักร รูดอล์ฟพิสูจน์ว่า "ผลรวมเชิงพีชคณิตของการแปลงทั้งหมดที่เกิดขึ้นในกระบวนการแบบวนจะต้องน้อยกว่าศูนย์หรือในกรณีร้ายแรง เท่ากับศูนย์"
ระบบแยกปิด
ระบบแยกคือระบบใดระบบหนึ่งต่อไปนี้:
- ระบบร่างกายอยู่ไกลจากระบบอื่นที่ไม่โต้ตอบกับพวกเขา
- ระบบอุณหพลศาสตร์ปิดด้วยกำแพงแข็งที่เคลื่อนที่ไม่ได้ซึ่งทั้งมวลและพลังงานไม่สามารถผ่านไปได้
ทั้งๆ ที่ตัวแบบมีความเกี่ยวข้องภายในกับแรงโน้มถ่วงของมันเอง ระบบที่แยกออกมามักจะใช้เกินขีดจำกัดของแรงโน้มถ่วงภายนอกและแรงที่อยู่ห่างไกลอื่นๆ
สิ่งนี้สามารถเปรียบเทียบได้กับสิ่งที่ (ในคำศัพท์ทั่วไปที่ใช้ในอุณหพลศาสตร์) เรียกว่าระบบปิดที่ล้อมรอบด้วยกำแพงคัดเลือกซึ่งพลังงานสามารถถ่ายเทได้ในรูปของความร้อนหรืองาน แต่ไม่สำคัญ และด้วยระบบเปิดที่สสารและพลังงานเข้าหรือออกแม้ว่าอาจมีผนังที่ผ่านเข้าไปไม่ได้ก็ตามบางส่วนของเส้นขอบ
ระบบโดดเดี่ยวปฏิบัติตามกฎหมายการอนุรักษ์ ส่วนใหญ่แล้วในทางอุณหพลศาสตร์ สสารและพลังงานถือเป็นแนวคิดที่แยกจากกัน
การเปลี่ยนแปลงทางอุณหพลศาสตร์
เพื่อให้เข้าใจการเปลี่ยนเฟสของควอนตัม จะมีประโยชน์เมื่อเปรียบเทียบกับการแปลงแบบคลาสสิก (เรียกอีกอย่างว่าการผกผันทางความร้อน) CPT อธิบาย cusp ในคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของระบบ มันส่งสัญญาณการปรับโครงสร้างของอนุภาค ตัวอย่างทั่วไปคือการเปลี่ยนสถานะเยือกแข็งของน้ำ ซึ่งอธิบายการเปลี่ยนแปลงที่ราบรื่นระหว่างของเหลวและของแข็ง การเติบโตของเฟสคลาสสิกเกิดจากการแข่งขันระหว่างพลังงานของระบบและเอนโทรปีของความผันผวนทางความร้อน
ระบบคลาสสิกไม่มีเอนโทรปีที่อุณหภูมิเป็นศูนย์ ดังนั้นจึงไม่มีการแปลงเฟสเกิดขึ้นได้ ลำดับของพวกมันถูกกำหนดโดยศักยภาพทางอุณหพลศาสตร์อนุพันธ์แบบไม่ต่อเนื่องตัวแรก และแน่นอนว่ามีลำดับแรก การแปลงเฟสจากเฟอร์โรแม่เหล็กเป็นพาราแมกเนติกเป็นแบบต่อเนื่องและลำดับที่สอง การเปลี่ยนแปลงคงที่เหล่านี้จากเฟสที่ได้รับคำสั่งเป็นเฟสที่ไม่เป็นระเบียบถูกอธิบายโดยพารามิเตอร์ลำดับที่เป็นศูนย์ สำหรับการแปลงเฟอร์โรแมกเนติกด้านบน พารามิเตอร์ลำดับจะเป็นการสะกดจิตทั้งหมดของระบบ
ศักยภาพกิ๊บส์
พลังงานกิ๊บส์ฟรีเป็นปริมาณงานสูงสุดโดยไม่ต้องขยายซึ่งสามารถลบออกจากระบบปิดเทอร์โมไดนามิก (ที่สามารถแลกเปลี่ยนความร้อนและทำงานกับสิ่งแวดล้อม) เช่นผลลัพธ์สูงสุดสามารถรับได้เฉพาะในกระบวนการที่ย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์เท่านั้น เมื่อระบบเปลี่ยนกลับจากสถานะแรกเป็นสถานะที่สอง การลดลงของพลังงานกิ๊บส์ฟรีเท่ากับที่ระบบทำในสภาพแวดล้อม ลบด้วยการทำงานของแรงดัน
สถานะยอดเงินคงเหลือ
สมดุลทางอุณหพลศาสตร์และเชิงกลเป็นแนวคิดเชิงสัจพจน์ของอุณหพลศาสตร์ นี่คือสถานะภายในของระบบตั้งแต่หนึ่งระบบขึ้นไปที่เชื่อมต่อกันด้วยผนังที่ซึมผ่านได้หรือไม่สามารถซึมผ่านได้มากหรือน้อย ในสถานะนี้ ไม่มีการไหลของสสารหรือพลังงานในระดับมหภาคอย่างแท้จริง ไม่ว่าจะภายในระบบหรือระหว่างระบบ
ในความคิดของสภาวะสมดุลภายใน การเปลี่ยนแปลงในระดับมหภาคจะไม่เกิดขึ้น ระบบอยู่ในสภาวะความร้อนร่วมกัน ทางกล เคมี (ค่าคงที่) สมดุลของการแผ่รังสี อาจอยู่ในรูปแบบเดียวกัน ในกระบวนการนี้ มุมมองทั้งหมดจะถูกบันทึกในครั้งเดียวและไม่มีกำหนดจนกว่าการดำเนินการทางกายภาพจะใช้งานไม่ได้ ในสภาวะสมดุลในระดับมหภาค จะมีการแลกเปลี่ยนที่สมดุลที่แม่นยำอย่างสมบูรณ์แบบ หลักฐานข้างต้นเป็นคำอธิบายทางกายภาพของแนวคิดนี้
พื้นฐาน
กฎ ทฤษฎี และสูตรแต่ละอย่างมีรากฐานของตัวเอง มาดู 3 รากฐานของกฎแห่งสมดุลเฟสกัน
- เฟสคือรูปแบบของสสาร ที่เป็นเนื้อเดียวกันในองค์ประกอบทางเคมี สถานะทางกายภาพ และความสมดุลทางกล เฟสทั่วไปคือของแข็ง ของเหลว และก๊าซของเหลวที่ผสมกันไม่ได้ 2 อัน (หรือของผสมของเหลวที่มีองค์ประกอบต่างกัน) คั่นด้วยขอบเขตที่แยกจากกันถือเป็นสองขั้นตอนที่แตกต่างกันและของแข็งที่เข้ากันไม่ได้
- จำนวนส่วนประกอบ (C) คือจำนวนส่วนประกอบที่ไม่ขึ้นกับสารเคมีของระบบ จำนวนสปีชีส์อิสระขั้นต่ำที่จำเป็นในการพิจารณาองค์ประกอบของทุกขั้นตอนของระบบ
- จำนวนองศาอิสระ (F) ในบริบทนี้คือจำนวนตัวแปรเข้มข้นที่ไม่ขึ้นต่อกัน
จำแนกตามระยะสมดุล
- ปฏิกิริยาของการถ่ายโอนสุทธิอย่างต่อเนื่อง (มักเรียกว่าปฏิกิริยาสถานะของแข็ง) เกิดขึ้นระหว่างของแข็งที่มีองค์ประกอบต่างกัน อาจรวมถึงองค์ประกอบที่พบในของเหลว (H, C) แต่องค์ประกอบเหล่านี้ยังคงอยู่ในสถานะของแข็ง ดังนั้นจึงไม่มีเฟสของเหลวที่เกี่ยวข้องในฐานะสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ (H2O, CO2). ปฏิกิริยาการถ่ายเทสารที่เป็นของแข็งสามารถเกิดขึ้นได้อย่างต่อเนื่องหรือต่อเนื่อง หรือสิ้นสุด
- โพลีมอร์ฟิคเป็นปฏิกิริยาเฟสของแข็งชนิดพิเศษที่มีเฟสขององค์ประกอบเหมือนกัน ตัวอย่างคลาสสิก ได้แก่ ปฏิกิริยาระหว่างอะลูมิเนียมซิลิเกตไคยาไนต์-ซิลลิมาไนต์-อันดาลูไซต์ การเปลี่ยนกราไฟต์เป็นเพชรที่ความดันสูง และสมดุลของแคลเซียมคาร์บอเนต
กฎแห่งความสมดุล
กฎโรงงานกิ๊บส์ถูกเสนอโดยโจไซอาห์ วิลลาร์ด กิ๊บส์ในบทความที่มีชื่อเสียงของเขาเรื่อง "สมดุลของสารที่แตกต่างกัน" ซึ่งปรากฏตั้งแต่ปี 2418 ถึง 2421 มันใช้กับระบบหลายองค์ประกอบที่ไม่เกิดปฏิกิริยาในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์และมีความเท่าเทียมกันที่กำหนด:
- F=C-P+2;
- โดยที่ F คือจำนวนองศาอิสระ
- C – จำนวนส่วนประกอบ;
- P - จำนวนเฟสในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ระหว่างกัน
จำนวนองศาอิสระคือจำนวนตัวแปรเร่งรัดที่ยังว่างอยู่ พารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์จำนวนมากที่สุด เช่น อุณหภูมิหรือความดัน ซึ่งสามารถแปรผันได้พร้อมกันและตามอำเภอใจโดยไม่ส่งผลกระทบซึ่งกันและกัน ตัวอย่างของระบบที่มีหนึ่งองค์ประกอบคือระบบที่มีสารเคมีบริสุทธิ์เพียงระบบเดียว ในขณะที่ระบบสององค์ประกอบ เช่น ส่วนผสมของน้ำและเอทานอล มีส่วนประกอบสองส่วนอิสระ การเปลี่ยนเฟสทั่วไป (สมดุลของเฟส) คือ ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ
กฎเฟสที่ความดันคงที่
สำหรับการใช้งานในวัสดุศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงเฟสระหว่างโครงสร้างของแข็งที่แตกต่างกัน มักเกิดแรงกดคงที่ (เช่น บรรยากาศเดียว) และถูกละเลยเป็นระดับความเป็นอิสระ ดังนั้นกฎจึงกลายเป็น: F=C - P + 1.
บางครั้งมีการใช้สูตรนี้ภายใต้ชื่อ "กฎเฟสที่ควบแน่น" แต่อย่างที่เราทราบกันดีอยู่แล้วว่าสูตรนี้ใช้ไม่ได้กับระบบที่มีความกดดันสูง (เช่น ในด้านธรณีวิทยา) เนื่องจากผลที่ตามมาของสิ่งเหล่านี้ แรงกดดันอาจทำให้เกิดผลร้ายได้
อาจดูเหมือนว่าสมดุลของเฟสเป็นเพียงวลีที่ว่างเปล่า และมีกระบวนการทางกายภาพเพียงเล็กน้อยที่ช่วงเวลานี้มีส่วนเกี่ยวข้อง แต่อย่างที่เราได้เห็น หากไม่มีกฎหมายดังกล่าว กฎหมายหลายฉบับที่เรารู้ว่าใช้ไม่ได้ผล ดังนั้นคุณจำเป็นต้องทำความคุ้นเคยกับกฎที่มีเอกลักษณ์ มีสีสัน แม้ว่าจะดูน่าเบื่อไปหน่อยก็ตาม ความรู้นี้ได้ช่วยเหลือผู้คนมากมาย พวกเขาเรียนรู้ที่จะนำไปใช้กับตัวเองเช่นช่างไฟฟ้าที่รู้กฎการทำงานกับเฟสสามารถป้องกันตนเองจากอันตรายที่ไม่จำเป็น