Katika wakati wetu, fizikia imekuwa sayansi ya kawaida sana. Inapatikana kila mahali. Mfano wa kimsingi zaidi: mti wa apple hukua kwenye uwanja wako, na matunda huiva juu yake, wakati unakuja na maapulo huanza kuanguka, lakini huanguka kwa mwelekeo gani? Shukrani kwa sheria ya mvuto wa ulimwengu wote, fetusi yetu huanguka chini, yaani, inakwenda chini, lakini sio juu. Ilikuwa ni mojawapo ya mifano maarufu ya fizikia, lakini hebu tuzingatie thermodynamics, au kwa usahihi zaidi, kwa usawa wa awamu, ambao sio muhimu sana katika maisha yetu.
Thermodynamics
Kwanza kabisa, tuangalie muhula huu. ΘερΜοδυναΜική - hivi ndivyo neno linavyoonekana katika Kigiriki. Sehemu ya kwanza ΘερΜo ina maana ya "joto", na ya pili δυναΜική ina maana "nguvu". Thermodynamics ni tawi la fizikia ambalo linasoma mali ya mfumo wa macroscopic, pamoja na njia mbalimbali za kubadilisha na kuhamisha nishati. Katika sehemu hii, majimbo na michakato mbalimbali husomwa maalum ili dhana ya joto inaweza kuletwa katika maelezo (hii ni kiasi cha kimwili ambacho kina sifa ya mfumo wa thermodynamic na hupimwa kwa kutumiavifaa fulani). Michakato yote inayoendelea katika mifumo ya thermodynamics inaelezewa tu na kiasi cha microscopic (shinikizo na joto, pamoja na mkusanyiko wa vipengele).
Mlinganyo wa Clapeyron-Clausius
Kila mwanafizikia anajua mlingano huu, lakini tuuchambue vipande vipande. Inarejelea michakato ya usawa ya mpito wa jambo fulani kutoka awamu moja hadi nyingine. Hii inaonekana wazi katika mifano hiyo: kuyeyuka, uvukizi, usablimishaji (moja ya njia za kuhifadhi bidhaa, ambayo hufanyika kwa kuondoa kabisa unyevu). Fomula inaonyesha wazi michakato inayoendelea:
- n=PV/RT;
- ambapo T ni joto la dutu hii;
- P-pressure;
- R-joto mahususi la mpito wa awamu;
- V-badiliko la sauti mahususi.
Historia ya kuundwa kwa mlingano
Mlinganyo wa Clausius-Clapeyron ni maelezo bora ya hisabati ya sheria ya pili ya thermodynamics. Pia inajulikana kama "Clausius inequality". Kwa kawaida, theorem ilitengenezwa na mwanasayansi mwenyewe, ambaye alitaka kueleza uhusiano kati ya mtiririko wa joto katika mfumo na entropy, pamoja na mazingira yake. Mlinganyo huu ulianzishwa na Clausius katika majaribio yake ya kuelezea na kuhesabu entropy. Kwa maana halisi, nadharia inatupa fursa ya kuamua ikiwa mchakato wa mzunguko unaweza kutenduliwa au hauwezi kutenduliwa. Ukosefu huu wa usawa unatupa fomula ya kiasi ya kuelewa sheria ya pili.
Mwanasayansi alikuwa mmoja wa wa kwanza kufanyia kazi wazo la entropy, na hata akalitoa.jina la mchakato. Kile ambacho sasa kinajulikana kama nadharia ya Clausius kilichapishwa kwa mara ya kwanza mwaka wa 1862 katika kazi ya sita ya Rudolf, On the Use of Transformation Equivalence Theorem kwa Kazi ya Ndani. Mwanasayansi alijaribu kuonyesha uhusiano sawia kati ya entropy na mtiririko wa nishati kwa joto (δ Q) katika mfumo. Katika ujenzi, nishati hii ya joto inaweza kubadilishwa kuwa kazi, na inaweza kubadilishwa kuwa joto kupitia mchakato wa mzunguko. Rudolph alithibitisha kwamba "jumla ya aljebra ya mabadiliko yote yanayotokea katika mchakato wa mzunguko inaweza tu kuwa chini ya sifuri au, katika hali mbaya zaidi, sawa na sifuri."
Mfumo uliotengwa uliofungwa
Mfumo uliotengwa ni mojawapo ya yafuatayo:
- Mfumo wa kimwili uko mbali na wengine ambao hawaingiliani nao.
- Mfumo wa thermodynamic umefungwa na kuta dhabiti zisizohamishika ambazo hakuna mada wala nishati haiwezi kupita.
Licha ya ukweli kwamba somo linahusiana ndani na uzito wake, mfumo uliotengwa kwa kawaida huchukuliwa zaidi ya mipaka ya mvuto wa nje na nguvu nyingine za mbali.
Hii inaweza kulinganishwa na kile (katika istilahi ya jumla zaidi inayotumiwa katika thermodynamics) inaitwa mfumo funge uliozungukwa na kuta maalum ambapo nishati inaweza kuhamishwa katika umbo la joto au kazi, lakini haijalishi. Na kwa mfumo wazi ambao maada na nishati huingia au kutoka, ingawa inaweza kuwa na kuta tofauti zisizoweza kupenyekasehemu za mipaka yake.
Mfumo uliotengwa unatii sheria ya uhifadhi. Mara nyingi katika thermodynamics, maada na nishati huzingatiwa kama dhana tofauti.
Mipito ya Thermodynamic
Ili kuelewa mabadiliko ya awamu ya quantum, ni muhimu kuyalinganisha na mabadiliko ya asili (pia huitwa mabadiliko ya joto). CPT inaelezea kikomo katika sifa za thermodynamic za mfumo. Inaashiria upangaji upya wa chembe. Mfano wa kawaida ni mpito wa kufungia wa maji, ambayo inaelezea mabadiliko ya laini kati ya kioevu na imara. Ukuaji wa awamu ya classical hutokana na ushindani kati ya nishati ya mfumo na entropy ya mabadiliko yake ya joto.
Mfumo wa classical hauna entropy katika halijoto sifuri na kwa hivyo hakuna mabadiliko ya awamu yanaweza kutokea. Agizo lao limedhamiriwa na uwezo wa kwanza wa derivative wa thermodynamic. Na, bila shaka, ina utaratibu wa kwanza. Mabadiliko ya awamu kutoka kwa ferromagnet hadi paramagnet ni ya kuendelea na ya pili. Mabadiliko haya ya mara kwa mara kutoka kwa awamu iliyoamriwa hadi iliyoharibika yanaelezwa na kigezo cha kuagiza ambacho ni sifuri. Kwa mabadiliko ya ferromagnetic hapo juu, kigezo cha kuagiza kitakuwa jumla ya usumaku wa mfumo.
Gibbs uwezo
The Gibbs Free Energy ndicho kiwango cha juu zaidi cha kazi bila upanuzi unaoweza kuondolewa kutoka kwa mfumo funge wa thermodynamic (unaoweza kubadilishana joto na kufanya kazi pamoja na mazingira). Vilematokeo ya juu yanaweza kupatikana tu katika mchakato wa kubadilishwa kabisa. Wakati mfumo unabadilika kutoka hali ya kwanza hadi ya pili, kupunguzwa kwa nishati ya bure ya Gibbs ni sawa na ile inayofanywa na mfumo katika mazingira yake, ukiondoa kazi ya nguvu za shinikizo.
Hali za usawa
Msawazo wa halijoto na kimakanika ni dhana ya axiomatiki ya thermodynamics. Hii ni hali ya ndani ya mifumo moja au zaidi ambayo imeunganishwa na kuta zaidi au chini ya kupenyeza au isiyoweza kupenyeza. Katika hali hii, hakuna mtiririko kamili wa mada au nishati, ama ndani ya mfumo au kati ya mifumo.
Katika dhana yake yenyewe ya hali ya usawa wa ndani, mabadiliko makubwa hayatokei. Mifumo ni wakati huo huo katika joto la kuheshimiana, mitambo, kemikali (mara kwa mara), usawa wa mionzi. Wanaweza kuwa katika fomu sawa. Katika mchakato huu, maoni yote yanahifadhiwa mara moja na kwa muda usiojulikana mpaka operesheni ya kimwili imevunjwa. Katika usawa wa macroscopic, kubadilishana kwa usawa sahihi kabisa hufanyika. Uthibitisho ulio hapo juu ni maelezo ya kimwili ya dhana hii.
Misingi
Kila sheria, nadharia, kanuni zina misingi yake. Hebu tuangalie misingi 3 ya sheria ya usawa wa awamu.
- Awamu ni aina ya mata, yenye usawa katika utungaji wa kemikali, hali halisi na mizani ya kimawazo. Awamu za kawaida ni imara, kioevu na gesi. Vimiminika viwili visivyoweza kutambulika (au michanganyiko ya kimiminika yenye utunzi tofauti) ikitenganishwa na mpaka tofauti huchukuliwa kuwa awamu mbili tofauti na yabisi isiyoweza kubadilika.
- Idadi ya vijenzi (C) ni idadi ya vijenzi vinavyojitegemea kemikali vya mfumo. Idadi ya chini ya spishi huru zinazohitajika ili kubainisha muundo wa awamu zote za mfumo.
- Idadi ya digrii za uhuru (F) katika muktadha huu ni idadi ya vigeu vikubwa ambavyo vinajitegemea.
Uainishaji kwa usawa wa awamu
- Matendo ya uhamishaji wavu unaoendelea (mara nyingi huitwa miitikio ya hali dhabiti) hutokea kati ya jambo gumu la utunzi tofauti. Huenda zikajumuisha vipengee vinavyopatikana katika vimiminika (H, C), lakini vipengee hivi huhifadhiwa katika awamu dhabiti, kwa hivyo hakuna awamu za kioevu zinazohusika kama viitikio au bidhaa (H2O, CO2). Matendo madhubuti ya uhamishaji yanaweza kuwa ya kuendelea au kutoendelea, au ya mwisho.
- Polimorphic ni aina maalum ya mmenyuko dhabiti wa awamu unaojumuisha awamu za utunzi unaofanana. Mifano ya awali ni miitikio kati ya silikati za alumini kyanite-sillimanite-andalusite, ubadilishaji wa grafiti hadi almasi katika shinikizo la juu, na usawa wa kalsiamu kabonati.
Sheria za usawa
Sheria ya Kiwanda cha Gibbs ilipendekezwa na Josiah Willard Gibbs katika karatasi yake maarufu inayoitwa "The Equilibrium of Heterogeneous Substances", ambayo ilionekana kutoka 1875 hadi 1878. Inatumika kwamifumo isiyo ya tendaji ya vijenzi vingi katika usawa wa thermodynamic na ni usawa fulani:
- F=C-P+2;
- ambapo F ni nambari ya digrii za uhuru;
- C - idadi ya vipengele;
- P - idadi ya awamu katika usawa wa thermodynamic kati ya nyingine.
Idadi ya digrii za uhuru ni idadi ya vigeu vikali ambavyo havijashughulikiwa. Idadi kubwa zaidi ya vigezo vya halijoto, kama vile halijoto au shinikizo, ambavyo vinaweza kutofautiana kwa wakati mmoja na kiholela bila kuathiriana. Mfano wa mfumo wa kipengele kimoja ni ule wenye kemikali moja safi, wakati mifumo yenye vipengele viwili, kama vile mchanganyiko wa maji na ethanoli, ina vipengele viwili vinavyojitegemea. Mabadiliko ya awamu ya kawaida (usawa wa awamu) ni yabisi, vimiminiko, gesi.
Sheria ya awamu kwa shinikizo la mara kwa mara
Kwa matumizi katika sayansi ya nyenzo inayoshughulikia mabadiliko ya awamu kati ya miundo thabiti tofauti, shinikizo la mara kwa mara hutokea (k.m. angahewa moja) na hupuuzwa kama kiwango cha uhuru, kwa hivyo kanuni inakuwa: F=C - P + 1.
Mfumo huu wakati mwingine huletwa kwa jina "kanuni ya awamu iliyofupishwa", lakini kama tujuavyo, haitumiki kwa mifumo hii ambayo inakabiliwa na shinikizo kubwa (kwa mfano, katika jiolojia), kwa kuwa matokeo ya haya shinikizo linaweza kusababisha matokeo mabaya.
Inaweza kuonekana kuwa usawa wa awamu ni kishazi tupu, na kuna michakato michache ya kimaumbile ambapo wakati huuinahusika, lakini, kama tulivyoona, bila hiyo, sheria nyingi tunazojua hazifanyi kazi, kwa hivyo unahitaji kujijulisha kidogo na sheria hizi za kipekee, za rangi, ingawa ni za kuchosha kidogo. Ujuzi huu umesaidia watu wengi. Walijifunza jinsi ya kuzitumia kwao wenyewe, kwa mfano, mafundi wa umeme, wakijua sheria za kufanya kazi na awamu, wanaweza kujilinda kutokana na hatari isiyo ya lazima.
