2.6. Термодинамические диаграммы

Функцией состояния называется такая физическая характеристика системы, изменение которой при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от вида соответствующего этому переходу термодинамического процесса, а целиком определяется значениями параметров начального и конечного состояний.

Важнейшие функции состояний:

1. Внутренняя энергия E. Внутренней энергией E называется энергия системы, зависящая только от её термодинамического состояния

,

– полная энергия системы;

– кинетическая энергия макроскопического движения системы;

– потенциальная энергия, связанная с действием на систему внешних силовых полей.

Первый закон термодинамики.

Количество теплоты, сообщенное системе, расходуется на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил.

Второй закон термодинамики:

1. невозможен процесс, единственным результатом которого является совершение работы, эквивалентной количеству теплоты, полученной от нагревателя;

2. невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему.

Для изолированной системы, находящейся в равновесии, энтропия должна быть минимальной

.

Для неизолированной системы при постоянной температуре (изотермический процесс)

.

Напомним, что

Свободная энергия Гельмгольца (F)

– свободная энергия, изохорно-изотермический потенциал.

Свободная энергия Гиббса

– термодинамический потенциал, изобарно-изотермический потенциал.

Следствие.

При постоянных температуре и давлении свободная энергия Гиббса системы, находящейся в равновесии будет минимальной, а при отклонениях от равновесия

.

2. Энтальпия H (теплосодержание, тепловая функция) – это функция состояния термодинамической системы, равная сумме её внутренней энергии и произведения давления на объём системы

.

3. Энтропия S. Энтропией называется функция S состояния системы, дифференциал которой в элементарном обратном процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты, сообщённого системе, к абсолютной температуре системы:

.

4. Изобарно-изотерический потенциал G. Характеристической функцией и термодинамическим потенциалом является функция состояния системы

.

Это изобарно-изотермический потенциал (изобарный потенциал, термодинамический потенциал Гиббса).

5. Изохорно-изотермический потенциал

Функция Гельмгольца (изохорный потенциал, свободная энергия)

2.6.1. Диаграмма состояния (диаграмма равновесия, фазовая диаграмма)

Любая термодинамическая система может в зависимости от условий находится в 4-х агрегатных состояниях: плазма, газ, жидкость, твёрдое тело.

Геометрическое изображение равновесных состояний термодинамической системы при различных значениях параметров (T, p, x_i – концентрации компонентов, мольного объёма V и др.) называется диаграммой состояния.

Диаграмма состояния даёт информацию о фазовом составе системы в зависимости от параметров

O – равновесие трёх фаз, тройная точка;

OA – кривая возгонки или сублимации;

OK – кривая испарения;

OB – кривая плавления;

A, K, B – критические точки, в точке K исчезает различие G – L, в B – L – S, в A – S – G.

Полиморфные превращения (алмаз – графит) усложняют диаграмму состояния. У SiO₂ – 11 полиморфных превращений в технологическом варианте синтеза изделий микроэлектроники, при этом изменяется не только тип кристаллической решётки, но и мольный объём V.