En nuestro tiempo, la física se ha convertido en una ciencia muy común. Está literalmente presente en todas partes. El ejemplo más elemental: en tu jardín crece un manzano, y en él maduran los frutos, llega el momento y las manzanas empiezan a caer, pero ¿en qué dirección caen? Gracias a la ley de la gravitación universal, nuestro feto cae al suelo, es decir, baja, pero no sube. Fue uno de los ejemplos más famosos de la física, pero prestemos atención a la termodinámica, o más precisamente, a los equilibrios de fase, que no son menos importantes en nuestra vida.
Termodinámica
Primero que nada, veamos este término. ΘερΜοδυναΜική: así es como se ve la palabra en griego. La primera parte ΘερΜo significa "calidez", y la segunda δυναΜική significa "fuerza". La termodinámica es una rama de la física que estudia las propiedades de un sistema macroscópico, así como varias formas de convertir y transferir energía. En esta sección se estudian especialmente varios estados y procesos para que se pueda introducir en la descripción el concepto de temperatura (esta es una cantidad física que caracteriza un sistema termodinámico y se mide usandodeterminados electrodomésticos). Todos los procesos en curso en los sistemas termodinámicos se describen solo mediante cantidades microscópicas (presión y temperatura, así como la concentración de los componentes).
Ecuación de Clapeyron-Clausius
Todos los físicos conocen esta ecuación, pero analicémosla pieza por pieza. Se refiere a los procesos de equilibrio de la transición de cierta materia de una fase a otra. Esto se ve claramente en tales ejemplos: fusión, evaporación, sublimación (una de las formas de conservar los productos, que se lleva a cabo eliminando completamente la humedad). La fórmula muestra claramente los procesos en curso:
- n=VP/RT;
- donde T es la temperatura de la sustancia;
- P-presión;
- R-calor específico de transición de fase;
- V-cambio en volumen específico.
La historia de la creación de la ecuación
La ecuación de Clausius-Clapeyron es una excelente explicación matemática de la segunda ley de la termodinámica. También conocida como la "desigualdad de Clausius". Naturalmente, el teorema fue desarrollado por el propio científico, que quería explicar la relación entre el flujo de calor en el sistema y la entropía, así como su entorno. Esta ecuación fue desarrollada por Clausius en sus intentos de explicar y cuantificar la entropía. En sentido literal, el teorema nos da la oportunidad de determinar si un proceso cíclico es reversible o irreversible. Esta desigualdad nos ofrece una fórmula cuantitativa para entender la segunda ley.
El científico fue uno de los primeros en trabajar en la idea de la entropía, e incluso le dionombre del proceso. Lo que ahora se conoce como el teorema de Clausius se publicó por primera vez en 1862 en el sexto trabajo de Rudolf, Sobre el uso del teorema de equivalencia de transformación para el trabajo interior. El científico trató de mostrar una relación proporcional entre la entropía y el flujo de energía mediante el calentamiento (δ Q) en el sistema. En la construcción, esta energía térmica se puede convertir en trabajo y se puede transformar en calor a través de un proceso cíclico. Rudolph demostró que "la suma algebraica de todas las transformaciones que ocurren en un proceso cíclico solo puede ser menor que cero o, en casos extremos, igual a cero".
Sistema cerrado aislado
El sistema aislado es uno de los siguientes:
- El sistema físico está lejos de otros que no interactúan con ellos.
- El sistema termodinámico está cerrado por paredes rígidas e inamovibles a través de las cuales no puede pasar ni la materia ni la energía.
A pesar del hecho de que el sujeto está relacionado internamente con su propia gravedad, un sistema aislado generalmente se lleva más allá de los límites de las fuerzas gravitatorias externas y otras fuerzas distantes.
Esto se puede contrastar con lo que (en la terminología más general utilizada en termodinámica) se llama un sistema cerrado rodeado de paredes selectivas a través de las cuales se puede transferir energía en forma de calor o trabajo, pero no materia. Y con un sistema abierto en el que entra o sale materia y energía, aunque puede tener varias paredes impenetrables enpartes de sus fronteras.
Un sistema aislado obedece la ley de conservación. La mayoría de las veces en termodinámica, la materia y la energía se consideran conceptos separados.
Transiciones termodinámicas
Para entender las transiciones de fase cuánticas, es útil compararlas con las transformaciones clásicas (también llamadas inversiones térmicas). CPT describe la cúspide de las propiedades termodinámicas de un sistema. Señala la reorganización de las partículas. Un ejemplo típico es la transición de congelación del agua, que describe una transición suave entre un líquido y un sólido. Los crecimientos de fase clásica se deben a la competencia entre la energía del sistema y la entropía de sus fluctuaciones térmicas.
Un sistema clásico no tiene entropía a temperatura cero y, por lo tanto, no puede ocurrir ninguna transformación de fase. Su orden está determinado por el potencial termodinámico de la primera derivada discontinua. Y, por supuesto, tiene el primer orden. Las transformaciones de fase de un ferromagnético a un paramagnético son continuas y de segundo orden. Estos cambios constantes de una fase ordenada a una desordenada se describen mediante un parámetro de orden que es cero. Para la transformación ferromagnética anterior, el parámetro de orden será la magnetización total del sistema.
Potencial de Gibbs
La energía libre de Gibbs es la cantidad máxima de trabajo sin expansión que se puede eliminar de un sistema termodinámico cerrado (que puede intercambiar calor y trabajar con el medio ambiente). Talel resultado máximo se puede obtener solo en un proceso completamente reversible. Cuando el sistema vuelve a transformarse del primer estado al segundo, la reducción de la energía libre de Gibbs es igual a la realizada por el sistema en su entorno, menos el trabajo de las fuerzas de presión.
Estados de equilibrio
El equilibrio termodinámico y mecánico es un concepto axiomático de la termodinámica. Este es el estado interno de uno o más sistemas que están conectados por paredes más o menos permeables o impermeables. En este estado, no hay flujos macroscópicos puros de materia o energía, ni dentro de un sistema ni entre sistemas.
En su propia concepción del estado de equilibrio interno, el cambio macroscópico no ocurre. Los sistemas están simultáneamente en mutuos equilibrios térmicos, mecánicos, químicos (constantes) y de radiación. Pueden estar en la misma forma. En este proceso, todas las vistas se guardan a la vez e indefinidamente hasta que se interrumpe la operación física. En el equilibrio macroscópico, tienen lugar intercambios equilibrados perfectamente precisos. La prueba anterior es una explicación física de este concepto.
Conceptos básicos
Cada ley, teorema, fórmula tiene sus propios fundamentos. Veamos los 3 fundamentos de la ley del equilibrio de fases.
- Fase es una forma de materia, homogénea en composición química, estado físico y equilibrio mecánico. Las fases típicas son sólida, líquida y gaseosa. Dos líquidos inmiscibles (o mezclas líquidas con diferentes composiciones) separados por un límite separado se consideran dos fases distintas y sólidos inmiscibles.
- El número de componentes (C) es el número de componentes químicamente independientes del sistema. El número mínimo de especies independientes requeridas para determinar la composición de todas las fases del sistema.
- El número de grados de libertad (F) en este contexto es el número de variables intensivas que son independientes entre sí.
Clasificación por equilibrios de fase
- Las reacciones de transferencia neta continua (a menudo llamadas reacciones de estado sólido) ocurren entre materia sólida de diferente composición. Pueden incluir elementos que se encuentran en líquidos (H, C), pero estos elementos se retienen en fases sólidas, por lo que no hay fases líquidas involucradas como reactivos o productos (H2O, CO2). Las reacciones de transferencia sólidas puras pueden ser continuas, discontinuas o terminales.
- Las polimórficas son un tipo especial de reacción en fase sólida que incluye fases de composición idéntica. Los ejemplos clásicos son las reacciones entre los silicatos de aluminio cianita-sillimanita-andalucita, la conversión de grafito en diamante a alta presión y el equilibrio del carbonato de calcio.
Leyes del equilibrio
La regla de la fábrica de Gibbs fue propuesta por Josiah Willard Gibbs en su famoso artículo titulado "El equilibrio de las sustancias heterogéneas", que apareció entre 1875 y 1878. se aplica asistemas heterogéneos multicomponentes no reactivos en equilibrio termodinámico y es una igualdad dada:
- F=C-P+2;
- donde F es el número de grados de libertad;
- C – número de componentes;
- P - número de fases en equilibrio termodinámico entre sí.
El número de grados de libertad es el número de variables intensivas desocupadas. El mayor número de parámetros termodinámicos, como la temperatura o la presión, que pueden variar de forma simultánea y arbitraria sin afectarse entre sí. Un ejemplo de un sistema de un componente es uno con un solo químico puro, mientras que los sistemas de dos componentes, como las mezclas de agua y etanol, tienen dos componentes independientes. Las transiciones de fase típicas (equilibrio de fase) son sólidos, líquidos, gases.
Regla de fase a presión constante
Para aplicaciones en ciencia de materiales que tratan con cambios de fase entre diferentes estructuras sólidas, a menudo ocurre una presión constante (por ejemplo, una atmósfera) y se ignora como un grado de libertad, por lo que la regla se convierte en: F=C - P + 1.
Esta fórmula a veces se introduce bajo el nombre de "regla de fase condensada", pero como sabemos, no es aplicable a estos sistemas que están sujetos a altas presiones (por ejemplo, en geología), ya que las consecuencias de estas Las presiones pueden tener consecuencias catastróficas.
Puede parecer que el equilibrio de fase es solo una frase vacía, y hay pocos procesos físicos en los que este momentoestá involucrado, pero, como hemos visto, sin él, muchas de las leyes que conocemos no funcionan, por lo que debe familiarizarse un poco con estas reglas únicas, coloridas, aunque un poco aburridas. Este conocimiento ha ayudado a muchas personas. Aprendieron cómo aplicarlos a sí mismos, por ejemplo, los electricistas, al conocer las reglas para trabajar con fases, pueden protegerse de peligros innecesarios.
