Методы и подходы равновесной термодинамики, используемые при проведении анализа микро- и нанотехнологий и структур.

Теоретические сведения: «Методы и подходы равновесной термодинамики, используемые при проведении анализа микроструктур».

1. Основы равновесной термодинамики

а). Основные понятия и определения

Методология термодинамики носит настолько всеобщий характер, что она с равным успехом может быть применена к объектам практически любой физической природы. Кроме того, в рамках этой теории можно составить представление о закономерностях протекания весьма широкого круга физико-химических процессов. Вклад термодинамического подхода в представление о материи и физических явлениях может быть несколько условно разделен на три части:

• проведение количественных оценок макроскопических характеристик физико-технических систем и параметров протекающих в них физико-химических процессов;

• определение условий, при которых данные процессы становятся принципиально возможными и установление направления развития равновесных и неравновесных макроскопических систем;

• выявление критериев устойчивости состояния изолированных и открытых физико-химических систем.

При изучении термодинамики (в особенности равновесной) обнаруживается, что в ее основе фигурирует не более четырех законов и значительное множество математических выражений частного характера. При ближайшем рассмотрении выясняется, что эти математические выражения и преобразования включают весьма ограниченный круг параметров, которые с первого взгляда кажутся сходными, но на самом деле сильно различаются. Эта «сухость» и феноменологический характер подхода в изложении основных принципов и методов термодинамики до некоторой степени является причиной ее малой популярности и абстрактности по сравнению с другими разделами физики.

Однако, несомненным достоинством термодинамического подхода является тот факт, что он описывает и устанавливает соотношение непосредственно наблюдаемых параметров различных веществ, причем это можно сделать, не имея глубоких знаний об их внутренней атомно-молекулярной структуре. Оперируя всего несколькими законами и ограниченным кругом переменными, можно получить огромную информацию о сложных системах, содержащих множество индивидуальных молекул.

Другое преимущество термодинамики заключается в том, что ее выводы не зависят от физико-технического характера рассматриваемой системы. Специфическая природа веществ задается в теории только несколькими параметрами, например теплоемкостями, молярными объемами, электрической поляризацией и т.д.

Равновесная термодинамика имеет дело с описанием системы в состоянии термодинамического равновесия (или близком к нему), и совершенно не учитывает ее предысторию и специфику пути перехода от одного (начального) состояния к другому (конечному) состоянию.

Неравновесная термодинамика рассматривает динамический аспект эволюции физических систем и, следовательно, имеет дело с объектами, которые находятся в различной степени отклонения от состояния термодинамического равновесия. Следует отметить что, все технические изделия являются по своей физической сути неравновесными системами (объектами) и их рассмотрение требует привлечения аппарата неравновесной термодинамики.

Термодинамической системой принято называть конечную область пространства с находящимися в ней физическими объектами макроскопических размеров. Измеряемые свойства термодинамической системы (температура, давление, концентрация химических элементов и т. д.) называются термодинамическими параметрами состояния системы. Некоторые термодинамические параметры, такие, как температура Т и давление р, численно не зависят от массы и размера системы. Они являются интенсивными свойствами системы. С другой стороны, существуют экстенсивные свойства, количественно пропорциональные массе.

Принято различать основные термодинамические параметры, которые являются постоянными на данный момент времени, и переменные термодинамические параметры, которые рассматриваются как функции основных параметров. Термодинамическая система может быть охарактеризована состоянием таких переменных параметров, связанных между собой функциональной зависимостью f(V, T, р)=0, называемой уравнением состояния. Например, для сильно разреженных (идеальных) газов эти переменные связаны простым уравнением состояния:

(1)

где R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная, или термодинамическая температура; n- количество молей вещества; V- объем системы; p-давление.

Уравнение (1) хорошо известно как уравнение состояния идеального газа. Справедливости ради следует отметить, что определение вида уравнения состояния для других физических систем (твердые тела или жидкости) является достаточно трудной задачей.