Di zaman kita, fisika telah menjadi ilmu yang sangat umum. Itu benar-benar ada di mana-mana. Contoh paling dasar: pohon apel tumbuh di halaman Anda, dan buah-buahan matang di atasnya, saatnya tiba dan apel mulai berjatuhan, tetapi ke arah mana mereka jatuh? Berkat hukum gravitasi universal, janin kita jatuh ke tanah, yaitu turun, tetapi tidak naik. Itu adalah salah satu contoh fisika yang paling terkenal, tetapi mari kita perhatikan termodinamika, atau lebih tepatnya, kesetimbangan fase, yang tidak kalah pentingnya dalam kehidupan kita.
Termodinamika
Pertama-tama, mari kita lihat istilah ini. - ini adalah tampilan kata dalam bahasa Yunani. Bagian pertama o berarti "kehangatan", dan bagian kedua berarti "kekuatan". Termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari sifat-sifat sistem makroskopik, serta berbagai cara untuk mengubah dan mentransfer energi. Pada bagian ini, berbagai keadaan dan proses dipelajari secara khusus sehingga konsep suhu dapat diperkenalkan ke dalam deskripsi (ini adalah kuantitas fisik yang menjadi ciri sistem termodinamika dan diukur menggunakanperalatan tertentu). Semua proses yang sedang berlangsung dalam sistem termodinamika hanya dijelaskan oleh jumlah mikroskopis (tekanan dan suhu, serta konsentrasi komponen).
Persamaan Clapeyron-Clausius
Setiap fisikawan mengetahui persamaan ini, tetapi mari kita uraikan satu per satu. Ini mengacu pada proses kesetimbangan transisi materi tertentu dari satu fase ke fase lainnya. Ini terlihat jelas dalam contoh-contoh seperti: peleburan, penguapan, sublimasi (salah satu cara untuk mengawetkan produk, yang terjadi dengan menghilangkan kelembapan sepenuhnya). Rumus dengan jelas menunjukkan proses yang sedang berlangsung:
- n=PV/RT;
- dimana T adalah suhu zat;
- P-tekanan;
- Panas transisi fase spesifik-R;
- V-ubah volume tertentu.
Sejarah pembuatan persamaan
Persamaan Clausius-Clapeyron adalah penjelasan matematis yang sangat baik tentang hukum kedua termodinamika. Juga disebut sebagai "ketidaksetaraan Clausius". Secara alami, teorema ini dikembangkan oleh ilmuwan itu sendiri, yang ingin menjelaskan hubungan antara aliran panas dalam sistem dan entropi, serta lingkungannya. Persamaan ini dikembangkan oleh Clausius dalam usahanya untuk menjelaskan dan mengukur entropi. Dalam arti harfiah, teorema memberi kita kesempatan untuk menentukan apakah proses siklik dapat dibalik atau tidak dapat diubah. Ketidaksetaraan ini menawarkan kita formula kuantitatif untuk memahami hukum kedua.
Ilmuwan adalah salah satu yang pertama mengerjakan gagasan entropi, dan bahkan memberikannyanama proses. Apa yang sekarang dikenal sebagai teorema Clausius pertama kali diterbitkan pada tahun 1862 dalam karya keenam Rudolf, Tentang Penggunaan Teorema Kesetaraan Transformasi untuk Pekerjaan Interior. Ilmuwan mencoba menunjukkan hubungan proporsional antara entropi dan aliran energi dengan pemanasan (δ Q) dalam sistem. Dalam konstruksi, energi panas ini dapat diubah menjadi kerja, dan dapat diubah menjadi panas melalui proses siklik. Rudolph membuktikan bahwa "jumlah aljabar dari semua transformasi yang terjadi dalam proses siklik hanya bisa kurang dari nol atau, dalam kasus ekstrim, sama dengan nol."
Sistem terisolasi tertutup
Sistem terisolasi adalah salah satu dari berikut ini:
- Sistem fisik jauh dari sistem lain yang tidak berinteraksi dengannya.
- Sistem termodinamika tertutup oleh dinding kaku yang tidak dapat digerakkan yang tidak dapat dilewati oleh materi maupun energi.
Meskipun subjek secara internal terkait dengan gravitasinya sendiri, sistem yang terisolasi biasanya diambil di luar batas gravitasi eksternal dan gaya jauh lainnya.
Ini dapat dikontraskan dengan apa (dalam terminologi yang lebih umum digunakan dalam termodinamika) yang disebut sistem tertutup yang dikelilingi oleh dinding selektif yang melaluinya energi dapat ditransfer dalam bentuk panas atau kerja, tetapi bukan materi. Dan dengan sistem terbuka di mana materi dan energi masuk atau keluar, meskipun mungkin memiliki berbagai dinding tak tertembus dibagian dari perbatasannya.
Sistem yang terisolasi mematuhi hukum kekekalan. Paling sering dalam termodinamika, materi dan energi dianggap sebagai konsep yang terpisah.
Transisi termodinamika
Untuk memahami transisi fase kuantum, berguna untuk membandingkannya dengan transformasi klasik (juga disebut inversi termal). CPT menggambarkan titik puncak dalam sifat termodinamika suatu sistem. Ini menandakan reorganisasi partikel. Contoh tipikal adalah transisi pembekuan air, yang menggambarkan transisi yang mulus antara cairan dan padatan. Pertumbuhan fase klasik disebabkan oleh kompetisi antara energi sistem dan entropi fluktuasi termalnya.
Sebuah sistem klasik tidak memiliki entropi pada suhu nol dan oleh karena itu tidak ada transformasi fasa yang dapat terjadi. Urutannya ditentukan oleh potensial termodinamika turunan terputus pertama. Dan, tentu saja, ia memiliki urutan pertama. Transformasi fasa dari feromagnet ke paramagnet bersifat kontinu dan orde dua. Perubahan konstan dari fase teratur ke fase tidak teratur ini dijelaskan oleh parameter urutan nol. Untuk transformasi feromagnetik di atas, parameter orde adalah magnetisasi total sistem.
Potensi Gibbs
Energi Bebas Gibbs adalah jumlah kerja maksimum tanpa pemuaian yang dapat dihilangkan dari sistem tertutup termodinamika (yang dapat bertukar panas dan bekerja dengan lingkungan). Sepertihasil maksimal hanya dapat diperoleh dalam proses yang benar-benar reversibel. Ketika sistem berubah kembali dari keadaan pertama ke keadaan kedua, pengurangan energi bebas Gibbs sama dengan yang dilakukan oleh sistem di lingkungannya, dikurangi kerja gaya tekanan.
Keadaan keseimbangan
Kesetimbangan termodinamika dan mekanik adalah konsep aksiomatik termodinamika. Ini adalah keadaan internal dari satu atau lebih sistem yang dihubungkan oleh dinding yang kurang lebih permeabel atau kedap air. Dalam keadaan ini, tidak ada aliran materi atau energi makroskopik murni, baik di dalam sistem maupun antar sistem.
Dalam konsepnya sendiri tentang keadaan keseimbangan internal, perubahan makroskopik tidak terjadi. Sistem secara bersamaan dalam kesetimbangan termal, mekanik, kimia (konstan), radiasi bersama. Mereka mungkin dalam bentuk yang sama. Dalam proses ini, semua tampilan disimpan sekaligus dan tanpa batas hingga operasi fisik terputus. Dalam keseimbangan makroskopik, pertukaran seimbang yang sangat tepat terjadi. Bukti di atas adalah penjelasan fisik dari konsep ini.
Dasar
Setiap hukum, teorema, rumus memiliki landasannya masing-masing. Mari kita lihat 3 dasar hukum kesetimbangan fasa.
- Fase adalah suatu bentuk materi, homogen dalam komposisi kimia, keadaan fisik dan keseimbangan mekanik. Fase khas adalah padat, cair dan gas. Dua cairan yang tidak dapat bercampur (atau campuran cairan dengan komposisi yang berbeda) yang dipisahkan oleh batas yang terpisah dianggap sebagai dua fase yang berbeda dan padatan yang tidak dapat bercampur.
- Jumlah komponen (C) adalah jumlah komponen sistem yang bebas secara kimia. Jumlah minimum spesies independen yang diperlukan untuk menentukan komposisi semua fase sistem.
- Jumlah derajat kebebasan (F) dalam konteks ini adalah banyaknya variabel intensif yang saling bebas.
Klasifikasi berdasarkan kesetimbangan fase
- Reaksi transfer netto kontinu (sering disebut reaksi keadaan padat) terjadi antara zat padat dengan komposisi berbeda. Mereka mungkin termasuk unsur-unsur yang ditemukan dalam cairan (H, C), tetapi unsur-unsur ini dipertahankan dalam fase padat, jadi tidak ada fase cair yang terlibat sebagai reaktan atau produk (H2O, CO 2). Reaksi transfer murni padatan dapat kontinu atau terputus-putus, atau terminal.
- Polimorfik adalah jenis khusus dari reaksi fase padat yang mencakup fase dengan komposisi yang identik. Contoh klasik adalah reaksi antara aluminium silikat kyanite-sillimanite-andalusite, konversi grafit menjadi intan pada tekanan tinggi, dan kesetimbangan kalsium karbonat.
Hukum keseimbangan
Aturan Pabrik Gibbs diusulkan oleh Josiah Willard Gibbs dalam makalahnya yang terkenal berjudul "The Equilibrium of Heterogeneous Substances", yang muncul dari tahun 1875 hingga 1878. Ini berlaku untuksistem heterogen multikomponen non-reaktif dalam kesetimbangan termodinamika dan persamaan yang diberikan:
- F=C-P+2;
- di mana F adalah jumlah derajat kebebasan;
- C – jumlah komponen;
- P - jumlah fase dalam kesetimbangan termodinamika satu sama lain.
Jumlah derajat kebebasan adalah jumlah variabel intensif kosong. Jumlah terbesar parameter termodinamika, seperti suhu atau tekanan, yang dapat berubah secara simultan dan sewenang-wenang tanpa mempengaruhi satu sama lain. Contoh sistem satu komponen adalah sistem dengan bahan kimia murni tunggal, sedangkan sistem dua komponen, seperti campuran air dan etanol, memiliki dua komponen independen. Transisi fase yang umum (keseimbangan fase) adalah padatan, cairan, gas.
Aturan fase pada tekanan konstan
Untuk aplikasi dalam ilmu material yang berhubungan dengan perubahan fasa antara struktur padat yang berbeda, tekanan konstan sering terjadi (misalnya satu atmosfer) dan diabaikan sebagai derajat kebebasan, sehingga aturannya menjadi: F=C - P + 1.
Rumus ini terkadang diperkenalkan dengan nama "aturan fase terkondensasi", tetapi seperti yang kita ketahui, rumus ini tidak berlaku untuk sistem yang dikenai tekanan tinggi (misalnya, dalam geologi), karena konsekuensi dari tekanan dapat menyebabkan konsekuensi bencana.
Tampaknya kesetimbangan fase hanyalah ungkapan kosong, dan ada beberapa proses fisik di mana momen initerlibat, tetapi, seperti yang telah kita lihat, tanpanya, banyak hukum yang kita ketahui tidak berfungsi, jadi Anda perlu sedikit mengenal aturan unik, penuh warna, meskipun sedikit membosankan ini. Pengetahuan ini telah membantu banyak orang. Mereka belajar bagaimana menerapkannya pada diri mereka sendiri, misalnya, tukang listrik, mengetahui aturan untuk bekerja dengan fase, dapat melindungi diri dari bahaya yang tidak perlu.
