Фазавыя пераходы |
---|
Артыкул з'яўляецца часткай серыі «Тэрмадынаміка». |
Паняцце фазы |
Раўнавага фаз |
Квантавы фазавы пераход |
Раздзелы тэрмадынамікі |
Пачаткі тэрмадынамікі |
Ураўненне стану |
Тэрмадынамічныя велічыні |
Тэрмадынамічныя патэнцыялы |
Тэрмадынамічныя цыклы |
Фазавыя пераходы |
правіць |
Гл. таксама «Фізічны партал» |
Тэрмадынамічныя патэнцыялы (тэрмадынамічныя функцыі) — характарыстычныя функцыі ў тэрмадынаміцы, змяншэнне якіх у раўнаважных працэсах, якія праходзяць пры пастаянных значэннях адпаведных незалежных параметраў, роўнае карыснай знешняй рабоце.
Паняцце тэрмадынамічнага патэнцыялу было распрацавана Гібсам, які ў сваіх працах выкарыстоваў тэрмін «фундаментальныя функцыі». Тэрмін «тэрмадынамічны патэнцыял» быў уведзены П’ерам Дзюгемам[ru].
Вылучаюць наступныя тэрмадынамічныя патэнцыялы:
Вызначаецца ў адпаведнасці з першым пачаткам тэрмадынамікі, як рознасць паміж колькасцю цеплыні, якая была перададзена сістэме, і работай, выкананай сістэмай над знешнімі целамі:
Q − A .
{\displaystyle U=Q-A.}
Вызначаецца наступным чынам:
U + P V ,
{\displaystyle H=U+PV,}
дзе
P
{\displaystyle P}
— ціск, а
V
{\displaystyle V}
— аб’ём.
Паколькі ў ізабарнам працэсе работа роўная
P Δ V
{\displaystyle P\Delta V}
, прырашчэнне энтальпіі ў квазістатычнам ізабарнам працэсе роўнае колькасці цеплыні, атрыманай сістэмаю.
Таксама часта называецца проста свабоднай энергіяй. Вызначаецца наступным чынам:
U − T S ,
{\displaystyle F=U-TS,}
дзе
T
{\displaystyle T}
— тэмпература, і
S
{\displaystyle S}
— энтрапія. Паколькі ў ізатэрмічнам працэсе колькасць цеплыні, атрыманая сістэмай, роўная
T Δ S
{\displaystyle T\Delta S}
, то змяншэнне свабоднай энергіі ў квазістатычнам ізатэрмічнам працэсе роўная рабоце, выкананай сістэмай над знешнімі целамі.
Таксама называецца энергіяй Гібса, тэрмадынамічным патэнцыялам, свабоднай энергіяй Гібса і нават проста свабоднай энергіяй (што можа прывесці да блытаніны патэнцыялу Гібса са свабоднай энергіяй Гельмгольца):
U + P V − T S .
{\displaystyle G=H-TS=F+PV=U+PV-TS.}
Унутраная энергія ўяўляе сабой поўную энергію сістэмы. Аднак другі пачатак тэрмадынамікі забараняе ператвараць усю ўнутраную энергію ў работу.
Можна паказаць, што максімальная поўная работа (як над асяроддзем, так і над знешнімі целамі), якая можа быць атрымана ад сістэмы ў ізатэрмічным працэсе, роўная змяншэння свабоднай энергіі Гельмгольца ў гэтым працэсе:
A
m a x
f
= − Δ F ,
{\displaystyle A_{max}^{f}=-\Delta F,}
дзе
F
{\displaystyle F}
— свабодная энергія Гельмгольца.
У гэтым сэнсе
F
{\displaystyle F}
прадстаўляе сабой свабодную энергію, якая дапускае пераўтварэнне ў работу. Астатнюю частку ўнутранай энергіі можна назваць звязанай.
У некаторых прыкладаннях даводзіцца адрозніваць поўную і карысную работу. Апошняя прадстаўляе сабой работу сістэмы над знешнімі целамі, выключаючы асяроддзе, у якое яна пагружана. Максімальная карысная работа сістэмы роўная
A
m a x
u
= − Δ G ,
{\displaystyle A_{max}^{u}=-\Delta G,}
дзе
G
{\displaystyle G}
— энергія Гібса.
У гэтым сэнсе энергія Гібса таксама з’яўляецца свабоднай.
Заданне тэрмадынамічнага патэнцыялу некаторай сістэмы ў пэўнай форме эквівалентна заданню ўраўнення стану гэтай сістэмы.
Адпаведныя дыферэнцыялы тэрмадынамічных патэнцыялаў:
T d S − P d V ,
{\displaystyle dU=\delta Q-\delta A=TdS-PdV,}
T d S + V d P ,
{\displaystyle dH=dU+d(PV)=TdS-PdV+PdV+VdP=TdS+VdP,}
− P d V − S d T ,
{\displaystyle dF=dU-d(TS)=TdS-PdV-TdS-SdT=-PdV-SdT,}
V d P − S d T .
{\displaystyle dG=dH-d(TS)=TdS+VdP-TdS-SdT=VdP-SdT.}
Гэтыя выразы матэматычна можна разглядаць як поўныя дыферэнцыялы функцый двух адпаведных незалежных зменных. Таму натуральна разглядаць тэрмадынамічныя патэнцыялы як функцыі:
U ( S , V ) ,
{\displaystyle U=U(S,V),}
H ( S , P ) ,
{\displaystyle H=H(S,P),}
F ( T , V ) ,
{\displaystyle F=F(T,V),}
G ( T , P ) .
{\displaystyle G=G(T,P).}
Заданне любой з гэтых чатырох залежнасцей — гэта значыць канкрэтызацыя выгляду функцый
U ( S , V )
{\displaystyle U(S,V)}
,
H ( S , P )
{\displaystyle H(S,P)}
,
F ( T , V )
{\displaystyle F(T,V)}
,
G ( T , P )
{\displaystyle G(T,P)}
— дазваляе атрымаць усю інфармацыю пра ўласцівасці сістэмы. Так, напрыклад, калі нам зададзена ўнутраная энергія
U
{\displaystyle U}
як функцыя энтрапіі
S
{\displaystyle S}
і аб’ёма
V
{\displaystyle V}
, тыя параметры, што засталіся, могуць быць атрыманы дыферэнцыраваннем:
(
∂ U
∂ S
)
V
,
{\displaystyle T={\left({\frac {\partial U}{\partial S}}\right)}_{V},}
−
(
∂ U
∂ V
)
S
.
{\displaystyle P=-{\left({\frac {\partial U}{\partial V}}\right)}_{S}.}
Тут індэксы
V
{\displaystyle V}
і
S
{\displaystyle S}
азначаюць пастаянства другой зменнай, ад якой залежыць функцыя. Гэтыя роўнасці становяцца відавочнымі, калі ўлічыць, што
T d S − P d V
{\displaystyle dU=TdS-PdV}
.
Заданне аднаго з тэрмадынамічных патэнцыялаў як функцыі адпаведных зменных, як запісана вышэй, уяўляе сабой кананічнае ўраўненне стану сістэмы. Як і іншыя ўраўненні стану, яно справядлівае толькі для станаў тэрмадынамічнай раўнавагі. У нераўнаважных станах гэтыя залежнасці могуць не выконвацца.
Метад тэрмадынамічных патэнцыялаў дапамагае ператвараць выразы, у якія ўваходзяць асноўныя тэрмадынамічныя зменныя і тым самым выказваць такія «цяжканазіраемыя» велічыні, як колькасць цеплыні, энтрапію, ўнутраную энергію праз велічыні, якія вымяраюцца — тэмпературу, ціск і аб’ём і іх вытворныя.
Разгледзім зноў выраз для поўнага дыферэнцыяла ўнутранай энергіі:
T d S − P d V
{\displaystyle ,!dU=TdS-PdV}
. Вядома, што калі змешаныя вытворныя існуюць і бесперапынныя, то яны не залежаць ад парадку дыферэнцыявання, гэта значыць
∂
2
U
∂ V ∂ S
=
∂
2
U
∂ S ∂ V
{\displaystyle ,!{\frac {\partial ^{2}U}{\partial V\partial S}}={\frac {\partial ^{2}U}{\partial S\partial V}}}
. Але
(
∂ U
∂ V
)
S
= − P
{\displaystyle ,!{\left({\frac {\partial U}{\partial V}}\right)}_{S}=-P}
і
(
∂ U
∂ S
)
V
= T
{\displaystyle ,!{\left({\frac {\partial U}{\partial S}}\right)}_{V}=T}
, таму
(
∂ P
∂ S
)
V
= −
(
∂ T
∂ V
)
S
{\displaystyle ,!{\left({\frac {\partial P}{\partial S}}\right)}_{V}=-{\left({\frac {\partial T}{\partial V}}\right)}_{S}}
. Разглядаючы выразы для іншых дыферэнцыялаў, атрымліваем:
(
∂ T
∂ P
)
S
=
(
∂ V
∂ S
)
P
{\displaystyle ,!{\left({\frac {\partial T}{\partial P}}\right)}_{S}={\left({\frac {\partial V}{\partial S}}\right)}_{P}}
,
(
∂ S
∂ V
)
T
=
(
∂ P
∂ T
)
V
{\displaystyle ,!{\left({\frac {\partial S}{\partial V}}\right)}_{T}={\left({\frac {\partial P}{\partial T}}\right)}_{V}}
,
(
∂ S
∂ P
)
T
= −
(
∂ V
∂ T
)
P
{\displaystyle ,!{\left({\frac {\partial S}{\partial P}}\right)}_{T}=-{\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)}_{P}}
. Гэтыя суадносіны называюцца суадносінамі Максвела. Заўважым, што яны не выконваюцца ў выпадку разрыўнасці змешаных вытворных, што мае месца пры фазавых пераходах 1-га і 2-га роду.
Хімічны патэнцыял (**μ
{\displaystyle \mu }
**) кампанента вызначаецца як энергія, якую неабходна выдаткаваць для таго, каб дадаць у сістэму бясконца малую малярную колькасць гэтага кампанента. Тады выразы для дыферэнцыялаў тэрмадынамічных патэнцыялаў могуць быць запісаны так:
T d S − P d V + μ d N
{\displaystyle ,!dU=TdS-PdV+\mu dN}
,
T d S + V d P + μ d N
{\displaystyle ,!dH=TdS+VdP+\mu dN}
,
− S d T − P d V + μ d N
{\displaystyle ,!dF=-SdT-PdV+\mu dN}
,
− S d T + V d P + μ d N
{\displaystyle ,!dG=-SdT+VdP+\mu dN}
. Паколькі тэрмадынамічныя патэнцыялы павінны быць адытыўнымі функцыямі ліку часціц у сістэме, кананічныя ўраўненні стану прымаюць такі выгляд (з улікам таго, што S і V — адытыўная велічыні, а T і P — не):
N f
(
S N
,
V N
)
{\displaystyle ,!U=U(S,V,N)=Nf\left({\frac {S}{N}},{\frac {V}{N}}\right)}
,
N f
(
S N
, P
)
{\displaystyle ,!H=H(S,P,N)=Nf\left({\frac {S}{N}},P\right)}
,
N f
(
T ,
V N
)
{\displaystyle ,!F=F(T,V,N)=Nf\left(T,{\frac {V}{N}}\right)}
,
N f
(
T , P
)
{\displaystyle ,!G=G(T,P,N)=Nf\left(T,P\right)}
. І, паколькі
d G
d N
= μ
{\displaystyle ,!{\frac {dG}{dN}}=\mu }
, з апошняга выказвання вынікае, што
μ N
{\displaystyle ,!G=\mu N}
, гэта значыць хімічны патэнцыял — гэта ўдзельны патэнцыял Гібса (на адну часціцу).
Для вялікага кананічнага ансамбля (гэта значыць для статыстычнага ансамбля станаў сістэмы з пераменным лікам часціц і збалансаваным хімічным патэнцыялам) можа быць вызначаны вялікі тэрмадынамічны патэнцыял, які злучае свабодную энергію з хімічным патэнцыялам:
− P V
{\displaystyle ,!\Omega =F-\mu N=-PV}
;
− S d T − N d μ − P d V
{\displaystyle ,!d\Omega =-SdT-Nd\mu -PdV}
Няцяжка праверыць, што так званая звязаная энергія
T S
{\displaystyle TS}
з’яўляецца тэрмадынамічным патэнцыялам для сістэмы, зададзенай з пастаяннымі
S P μ
{\displaystyle SP\mu }
.
У стане раўнавагі залежнасць тэрмадынамічных патэнцыялаў ад адпаведных зменных вызначаецца кананічным ураўненнем стану гэтай сістэмы. Аднак у станах, выдатных ад раўнаважнага, гэтыя суадносіны губляюць сілу. Тым не менш, для нераўнаважных станаў тэрмадынамічныя патэнцыялы таксама існуюць.
Такім чынам, пры фіксаваных значэннях сваіх зменных патэнцыял можа прымаць розныя значэнні, адно з якіх адпавядае стану тэрмадынамічнай раўнавагі.
Можна паказаць, што ў стане тэрмадынамічнай раўнавагі адпаведнае значэнне патэнцыялу мінімальнае. Таму раўнавага з’яўляецца ўстойлівай.
Ніжэйпрыведзеная табліца паказвае, мінімуму якога патэнцыялу адпавядае стан устойлівай раўнавагі сістэмы з зададзенымі фіксаванымі параметрамі.
фіксаваныя параметры | тэрмадынамічны патэнцыял |
---|---|
S,V,N | унутраная энергія |
S,P,N | энтальпія |
T,V,N | свабодная энергія Гельмгольца |
T,P,N | энергія Гібса |
T,V, | вялікі тэрмадынамічны патэнцыял |
S,P, | звязаная энергія |