Термодинамика фазовых равновесий

Специальные разделы оптического материаловедения

Профессор С.В. Немилов

5 курс, кафедра ОТ и М

Группа 5351

Термодинамика фазовых равновесий

1.1 Общие сведения о термодинамике

1.1.1 Предмет термодинамики ^[1]

Термодинамика – раздел теоретической физики, который рассматривает законы природы в рамках энергии и связанных с энергией понятий. Для нас этот раздел важен, поскольку любой материал, производимый человеком, подчиняется общим законам природы. Для того чтобы знать, что можно и что нельзя создать руками, в какой степени можно изменить то, что уже имеется, и как наиболее экономно встроить эти сведения в арсенал наших знаний, в курсе материаловедения рассматривается термодинамика в наиболее практичном для материаловеда аспекте.

Термодинамика – научная дисциплина, которая изучает:

• переходы энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой,
• энергетические эффекты, сопровождающие различные физические или химические процессы, зависимость их от условий протекания,
• возможность, направление и пределы самопроизвольного (то есть без затраты работы извне) течения процессов.

История термодинамики восходит к глубокой древности, как только человек стал интересоваться «силой огня» и применять механические машины. Как наука она возникла в начале 19 века в связи с развитием производств, тепловых машин и обработкой материалов. Особенно сильное развитие получила термодинамика, описывающая химические процессы (в конце 19 и в 20 веках). Термодинамика по существу управляет большинством природных процессов, хотя и не все разделы этой науки, относящиеся к природным явлениям (особенно – к жизни) разработаны с той же полнотой, как относящиеся к «неживым» объектам.

Термодинамика – строгая наука, основанная на математическом описании. Законы термодинамики столь же строги, как принципы в математике. Во многих случаях они имеют гораздо более широкий смысл, чем те элементарные пояснения, которые им можно дать в рамках существующего формализма.

Из-за специфики курса наше рассмотрение термодинамики будет далее несколько утилитарным и сокращенным.

1.1.2 Термодинамическая система, виды систем

Гомогенная система – система, внутри которой нет поверхностей раздела, отделяющих части системы, различающиеся по свойствам.

Гетерогенная система – система, внутри которой существуют поверхности раздела, разделяющие части системы, различающиеся по свойствам.

Система, упомянутая выше – гетерогенна, так как лёд и вода имеют границу раздела. Здесь не важно, сколь дисперсен лёд – даже наполовину замерзшая вода имеет границу раздела. Одна вода или один лёд – гомогенная система. Если в рассмотрение включить пар над водой и льдом, то система становится гетерогенной, поскольку между паровой фазой и конденсированной (водой или льдом) есть поверхность раздела.

Фаза – однородная (гомогенная) часть гетерогенной системы, обладающая во всех своих точках одинаковым химическим составом и одинаковыми термодинамическими свойствами и отделенная от других фаз поверхностью раздела.

Нужно заметить, что при определении одинаковости свойств во всех точках исключается поверхность, которая может обладать свойствами, отличными от объемных свойств.

Лёд, как бы дисперсен он ни был в приведенном примере, – одна и та же фаза.

Виды систем по отношению к окружению

Изолированные системы – те, которые не имеют возможности обмениваться веществом и энергией с окружением и имеющие постоянный объем.

Закрытые системы – те, которые не обмениваются веществом с окружением, но могут обмениваться с ним энергией и у которых может меняться объем (может совершаться работа).

Это – самый распространенный во всех отношениях случай, поскольку чаще всего гораздо легче не допустить обмена веществом, чем изолировать систему в отношении обмена энергией и совершения системой работы.

Открытые системы – те, в отношении которых отсутствуют перечисленные выше запреты.

Наиболее понятны в этом случае живые системы, которые обмениваются и веществом и энергией и которые совершают работу.