Тема 9. Основные положения термодинамики, механизмы роста пленок и образование зародышей.

Цели и задачи изучения темы:

Задачей изучения данной темы является ознакомление с основны-ми положениями термодинамики и ее применением для объяснения меха-низмов роста пленок, зародышей, а так же ознакомление студентов с особенностями межфазных взаимодействий.

9.1. Основные понятия термодинамики.

Термодинамика представляет собой науку об общих тепловых свойствах макроскопических тел. В термодинамике изучают макроско-пические системы, состоящие из большого числа частиц.

В термодинамике поверхности особое место занимает химическая термодинамика. Она представляет собой раздел термодинамики, в котором изучаются химические и физико-химические процессы в различных фазах вещества, а также теории химических превращений, химического равновесия при наличии химических реакций.

При термодинамических исследованиях процессов рассматриваются макроскопические системы, другими словами, системы, состоящие из очень большого числа частиц. В этом случае не рассматривается молекулярная структура вещества, характер сил взаимодействия между молекулами, механизм и скорость процесса. Термодинамический подход к исследованию явлений оказывается тем точнее, чем больше частиц в системе.

Различают замкнутые (закрытые) и открытые системы.

Системой будем называть совокупность тел или частиц, которые взаимодействуют как между собой, так и с другими телами, в том числе из внешней среды, посредством обмена веществом и энергией.

Замкнутой системой называется система, изолированная от внешнего воздействия.

Такая система может быть представлена из составляющих ее подсистем, слабо взаимодействующих друг с другом. Замкнутая система не обменивается веществом и энергией с окружающей средой.

В равновесном состоянии макроскопической системы отсутствуют потоки массы, заряда, энергии, импульса и других физических величин между ее подсистемами. Замкнутая система через некоторое время обязана перейти в равновесное состояние, которое определяется параметрами состояния.

Открытой системой называется система, которая может обме-ниваться с окружающей средой энергией и веществом. В результате взаимодействия системы с окружающей средой будут изменяться параметры состояния системы.

Под параметрами состояния системы будем понимать ряд физии-ческих величин, характеризующих равновесное состояние термодинами-ческой системы: температура, объем, поляризация, энтропия, энтальпия и др. Термодинамическое состояние определяется заданием совокупности независимых параметров состояния.

Каждому набору независимых параметров состояния соответствуют определенные термодинамические потенциалы. Именно они определяют термодинамические свойства системы.

Система может быть гомогенной (однородной) или гетерогенной (неоднородной).

• Система называется гомогенной, если она состоит из одной фазы.

Под фазой будем понимать равновесное состояние вещества, отличающегося по физическим свойствам от других возможных состояний или других фаз этого же вещества.

• Гетерогенная система состоит из нескольких фаз. Примером может служить плавающий в воде лед.

Температура является количественной характеристикой теплового равновесия. В состоянии равновесия температуры тел равны между собой.

Процессом в термодинамике будем называть изменение состояния системы во времени.

Различают самопроизвольные, несамопроизвольные, циклические (или круговые) процессы. Самопроизвольные процессы происходят без затраты энергии извне. Например, процесс нагревания тела от более нагретого тела, растворение соли в воде и т. п. Несамопроизвольные процессы требуют затраты энергии. Например, процесс разделения воздуха на кислород и азот. Процесс, при протекании которого система снова возвращается в исходное состояние, называется круговым, или циклическим.

Различают микроскопическое и макроскопическое состояния тер-модинамической системы.

Микроскопическое состояние характеризуется заданием координат и импульсов всех составляющих систему частиц.

Хаотическая динамика на микроскопическом уровне или моле-кулярный хаос проявляется в виде упорядоченного изменения состояния на макроскопическом уровне.

Макроскопическое состояние системы характеризуется определен-ным числом величин, например, Р, V, Т и др.

Основными физическими параметрами процесса являются поглощенное количество теплоты Q, совершенная работа А, а также ряд дифференци-альных характеристик:

теплоемкости , ,

где S – энтропия;

коэффициент теплового расширения .