2.2.7 Связь кристаллизационной способности с диаграммой состояния

Практика разработки составов стекол убедительно показывает, что минимальной кристаллизационной способностью (по всем показателям) обладают составы, близкие к составам эвтектик. Это понятно, поскольку эвтектики имеют самые низкие температуры ликвидуса. Зарождение кристаллов и их последующий рост происходят при значениях вязкости, значительно больших таковых у веществ, образующих эвтектику. Кристаллизационная способность составов, близких к химическим соединениям, практически всегда выше таковой у эвтектик.

3.Термодинамика стеклообразного состояния

3.1.1 Термодинамические переменные, используемые при математическом

описании стеклования

В термодинамике устойчивое состояние обычной химической системы характеризуется критериями устойчивости:

(dT/dS) ˃ 0; (dp/dV) ˂ 0; (dμ_i/dm_i) ˃ 0.

Это состояние может соответствовать как состоянию стабильного, так и метастабильного равновесия. Более того, если при изменении температуры и давления за время наблюдения структура вещества остается постоянной (она заморожена, как в стекле), то справедливы те же неравенства.

Смысл приведенных неравенств весьма прост. Энтропия при увеличении температуры может только возрастать, в противном случае наступило бы противоречие со II Началом термодинамики, так как пришлось бы рассматривать отрицательное значение теплоемкости. Объем тела при увеличении давления может только уменьшаться (если было не так, работа по расширению стала бы отрицательной). Химический потенциал компонента с ростом массы этого компонента в составе фазы может только увеличиваться.

Лабильное, абсолютно неустойчивое состояние соответствует общим критериям

(ΔS)_U,V,mi ˃ 0, (ΔU)_S,V,mi ˂ 0,

согласно которому энтропия системы при выходе из этого состояния всегда возрастает (при постоянстве внутренней энергии, объема и массы компонентов)²³, а внутренняя энергия всегда убывает (при постоянстве энтропии, объема и масс компонентов).

В отношении стеклообразного состояния это определение справедливо, однако его справедливость может быть выяснена только при больших продолжительностях наблюдения. Например, старение стекла при комнатной температуре, как мы видели, становится наблюдаемым только за месяцы или годы.

В классической термодинамике отсутствует фактор времени, а способ, благодаря которому возникает возможность неустойчивого состояния, не раскрывается. Неравновесная термодинамика вводит в описание фактор времени и восполняет этот недостаток.

Ради простоты рассмотрим случай гомогенной системы, то есть последний критерий условия устойчивости, связанный с изменением состава (химического потенциала), не рассматривается.

Предлагаемое изложение материала исходит из аналогичных подходов к явлению стеклования предшествующих авторов []. Однако для стройности изложения в основу был положен термодинамический анализ релаксационных процессов по методу Де-Донде []. Этот метод впервые был использован Л.И.Мандельштамом и М.А.Леонтовичем при описании возникновения неравновесных состояний при взаимодействии звуковой волны с жидкостью²⁴ [].Кроме того, для общности рассмотрения как термодинамики стеклования, так и физического смысла соотношения Пригожина-Дефея, этот раздел изложен в терминах теории детерминантов. Этот принцип анализа условий устойчивости систем использовался ещё Гиббсом []; для описания стеклования он уже использовался в работе Ковача (J. Kovac, J. Phys. Chem. 1981, No 14, 2060-2065, 1981).

а) основные определения и допущения модели

Параметры состояния. Наряду с внешними, задаваемыми параметрами системы существует внутренний структурный параметр или несколько таких параметров. Пока мы ограничимся единственным структурным параметром. Обозначим его как и выше, через ξ, значение ξ может изменяться от 0 до 1. Смысл этого параметра для структуры жидкости нами уже пояснялся.

Стеклообразное состояние соответствует частному случаю, когда ξ = const. Тогда при совокупности задаваемых переменных (Т,р) точку стеклования для заданного ξ определим как (T_g, p_g). Далее мы ограничимся только этими переменными. В окрестности некоторой точки существует равновесное состояние (ξ равновесно). Может существовать и неравновесное состояние (ξ = const). Под понятием «окрестности» точки понимаем малые изменения температуры δT = T - T_r, δp = p - p_r, δξ = ξ – ξ_r , где индекс r в частном случае совпадает с индексом g. Под термином «неравновесное состояние» понимается состояние, имеющее более высокий термодинамический потенциал, чем равновесное состояние. Нас пока не интересует дальнейшая судьба этого неравновесного состояния (сохраняется ли оно или постепенно исчезает). Важно найти условие, при которых оно возникает.

Возможность полного описания рассматриваемых состояний. Оба состояния в рамках продолжительности наблюдения τ´ (и описания, соответствующего этому условию) способны обратимо воспринимать и отдавать тепло, то есть к ним применимы условия обратимости. Очевидно, что время релаксации τ и τ´ связаны неравенством τ ˂˂ τ´.

Свободная энергия Гиббса G для равновесного состояния всегда является однозначной функцией температуры и давления:

G = G(T,p),

поскольку параметр структуры ξ однозначно следует за изменениями этих переменных.

Для неравновесного состояния свободная энергия Гиббса всегда зависит и от структуры, которая не следует однозначно за изменениями Т и р:

G = G(T,p, ξ).

Таким образом, в окрестности точки стеклования возникает замороженное состояние структуры и ξ далее не изменяется.

Обозначения свойств термодинамических функций рассматриваемых состояний. Введём следующие обозначения:

G_T = (∂G/∂T)_p,ξ, G_TT = (∂²G/∂T²)_p,ξ, и т.д., в том числе

G_ξ = -А (А - это так называемое сродство процесса структурного изменения).Эта величина показывает изменение свободной энергии при полном изменении структурного параметра ξ от 1 до 0.

Очевидно, что

G_T = - S,

G_p = V,

G_ξξ = (∂²G/∂ξ²)_p,T – изменение сродства за полное структурное превращение,

- T·G_TT = T(∂S/∂T) = C_p, где C_p изобарная теплоемкость системы. Далее

- G_pp/V = - (∂V/∂p)/V = κ_T, где κ_T - изотермическая сжимаемость системы.

G_Тp/V = (∂V/∂Т)/V = α - коэффициент объемного термического расширения системы.

Аналогично предыдущему определяются

G_ξp как изменение объема системы за полное структурное превращение ,

и - T·G_ξT как теплота превращения, рассчитанная на полное превращение.

б) допущения кинетического плана.

Стремление системы к равновесию при изменении ξ до равновесного состояния происходят при соблюдении следующих условий (вводимые допущения):

1) единственной причиной изменения ξ является наличие сродства G_ξ (избыток свободной энергии есть движущая сила процесса), которое должно убывать в процессе релаксации;

2) закон релаксации линеен по времени, то есть

dξ/dt = - γ·G_ξ, где некоторый кинетический коэффициент (вроде текучести), обратный вязкости;

3) скорость релаксации определена релаксационным законом простой экспоненты, который в дифференциальной форме можно записать как

dξ/dt = δξ/τ,

где 1/τ есть константа скорости процесса, а τ есть время релаксации. δξ здесь –величина структурного параметра, которая ещё не отрелаксировала. С такой формой приближения мы уже сталкивались при изложении теории релаксации свойств.

Кроме того, если разница ξ- ξ^e = - δξ мала, то есть мы недалеко отошли от состояния равновесия (ξ^e – равновесное значение параметра структуры), то и G_ξ мало, поэтому G_ξξ = ∂G_ξ/∂ξ = δG_ξ/δξ.

Из предыдущих и последних соотношений получаем, что

τ = - (γ·G_ξξ)^-1.

Последнее соотношение весьма примечательно. Поскольку систем, лишенных вязкости, не существует (за исключением квантовой жидкости – жидкого гелия), время релаксации всегда отлично от бесконечности и от нуля. При бесконечном времени релаксации мы никогда не увидели бы, что система релаксирует, при нулевом времени релаксации мы никогда не смогли бы получить стекла как состояния с замороженной структурой. Но для этого необходимо, чтобы - G_ξξ всегда было положительно. Это условие мы получим в следующем разделе.