- •Глава 1 Основні поняття термодинаміки
- •1.1 Термодинамічна система
- •1.2 Фаза
- •1.3 Компонент
- •1.4 Термодинамічні параметри стану системи
- •1.5 Термодинамічний потенціал системи
- •1.9 Фазовий простір Гіббса
- •1.6 Хімічний потенціал атомів компонентів
- •1.7 Рівновага в гетерогенній системі
- •1.8 Правило фаз Гіббса
- •Глава 2 аналіз діаграм фазових рівноваг у подвійних системах
- •2.1 Діаграми стану з необмеженою розчинністю компонентів у твердій і рідкій фазах
- •2.1.1 Двокомпонентна система
- •2.2 Діаграми фазових рівноваг в системах з обмеженою розчинністю компонентів у твердих фазах
- •2.2.1 Діаграма стану з евтектичною рівновагою фаз
- •2.2.2 Діаграма стану з перитектичною рівновагою фаз
- •2.3 Діаграми стану з поліморфізмом компонентів
- •2.3.1 Однокомпонентна система
- •2.3.2 Двокомпонентна діаграма стану з поліморфізмом одного компоненту
- •2.3.3 Діаграма стану з евтектоїдною рівновагою фаз
- •2.4 Діаграми стану з проміжними фазами
- •2.5 Використання принципів термодинаміки незворотних процесів до аналізу фазових переходів в реальних системах
2.5 Використання принципів термодинаміки незворотних процесів до аналізу фазових переходів в реальних системах
Основні положення класичної термодинаміки, що розглянуті у попередніх розділах, описують закономірності, які виникають в системі при встановленні рівноваги. При цьому, як підкреслювалося раніше, будь-яка точка системи характеризується постійними температурою і тиском. Гетерогенна система, окрім цього, характеризується рівністю хімічного потенціалу атомів даного компоненту в усіх фазах.
Відмінною особливістю основних законів термодинаміки є відсутність в них параметру часу і похідних незалежних параметрів стану у часі. Це й зрозуміло: стани рівноваги мають властивості не змінюватися до тих пір, доки зовнішні умови є незалежними. Саме цьому класична термодинаміка, яка розглядає лише рівноважні, класичні ситуації, не надає можливості проведення фізико-хімічного аналізу процесів фазових переходів і є, по-суті, термостатикою.
В останні десятиріччя були зроблені багато чисельні спроби побудови термодинаміки незворотних процесів. У дійсний час розвивається декілька підходів до опису динаміки процесу фазових переходів. В них використовуються різні за своєю природою простори уявлень. Один з них – фазовий простір Гіббса – обговорювався раніше. Можливими є й інші простори уявлень – простір «подій», простір «імпульсу і енергії», простір «станів», простір «станів і енергії» і інші. Частина цих просторів – скалярні, інші – векторні. Еволюція системи при фазовому переході описується деякою єдиною траєкторією фігуративної точки. Параметри траєкторії задаються конкретними умовами процесу.
Один з найважливіших напрямків розвитку термодинаміки незворотних процесів базується на останніх досягненнях макроскопічної теорії явищ переносу 3. До цих досягнень відносять феноменологічні (тобто експериментально встановлені) закони:
закон теплопровідності Фур’є

про пропорційність теплового потоку
градієнту температури;закон дифузій Фіка

про пропорційність потоку атомів
компоненту градієнту концентрації;закон Ома
про пропорційність щільності токуj
градієнту потенціалу ;закон Ньютона
про пропорційність сили внутрішнього
тертяF
градієнту
швидкості u
і т.і.
Причини, що викликають незворотні явища, носять назву «сили» і позначаються через Хі (і=1, 2, …): градієнт температури, градієнт концентрації і т.д. Кількісні характеристики незворотних явищ, що викликані силами Хі, називаються «потоками» Ii (i=1, 2, …): потік теплоти, потік атомів, що дифундують, і т. ін.
Фізичні потоки представляють собою швидкості зміни відповідних параметрів стану (температури, концентрації і т. ін.).
Як бачимо, в термодинаміці незворотних процесів параметр «швидкість» враховує фактор часу.
Грунтуючись на законах класичної термодинаміки і явищ переносу, термодинаміка незворотних процесів базується на трьох основних принципах.
1. Стан локально рівноважних частин системи визначається основним рівнянням термодинаміки для квазистатистичних процесів:
(19)
Загальна
зміна ентропії системи аддитивно
складується зі змін в окремих її частинах.
Локальна швидкість виникнення ентропії
має вигляд
,
деIi
– потік; Хі
– сила.
2. Потік Ii, що викликаний дією сил Хк –, є пропорційним цим силам:
![]()
(і=1,
2, … n) (20)
Коефіцієнти Lik називають класичними.
3. При відповідному виборі потоків Ii та Хі матриця кінетичних коефіцієнтів є симетричною (співвідношення взаємності Онзагера):
(i,
k=1,
2, … n) (21)
Це означає, що якщо градієнт температури викликає градієнт концентрації, то й градієнт концентрації при деякому процесі викликає градієнт температури.
Наведені три принципи термодинаміки незворотних процесів утворюють самоузгоджену систему рівнянь для визначення спряжених потоків Ii та Хі.
Аналіз фазових переходів з допомогою принципів термодинаміки незворотних процесів базується поперед усього на понятті локальної рівноваги. Відомо, час встановлення термодинамічної рівноваги зростає зі збільшенням розміру системи. Тому можна вважати, що в малих макроскопічних об’ємах рівновага встановлюється значно раніше, ніж між цими об’ємами. З цього виходить, що хоча система в цілому і не знаходиться в рівновазі, в невеличких частинах її рівновага вже встановилася при певних параметрах: температурі, тиску, хімічному потенціалі атомів компонентів. При цьому важливо, щоб в малих частинах системи було ще багато часток, а також щоб відхилення від рівноваги були невеликими.
Конкретизуємо
ці положення на прикладі розглядання
фазового переходу
.
Знаючи вихідний склад материнської
фази
при температурі Т1,
а також рівноважні концентрації обох
фаз
і
при температурі Т2
(знаходяться на діаграмі стану), можна
знайти напрямок та величину потоку
дифузії атомів компонентів. Для цього
припустимо, що рівноважні значення
концентрацій для фаз
і
при Т2
(температурі фазового переходу)
встановилися тільки в невеликих об’ємах
цих фаз, які примикають до фазової
границі
.
Оскільки
процес фазового переходу продовжується
невеликий час, очевидно, що ділянки
материнської
-фази,
які віддалені від границі
,
ще не встигли змінити концентрацію.
Таким
чином, у припущенні, що дифузія в системі
є вирівнюючою і з врахуванням знаку
нерівності
з’являється можливість визначити
напрямок дифузії атомів компоненту Б
в
-фазі,
а обчисливши
(у припущенні, що відома величинаD
при даній Т2)
– визначити величину дифузійного потоку
І атомів компоненту Б.
При цьому можливі два випадки.
1.
Дифузійний потік І атомів компоненту
Б в
-фазі
направлений до границі
(
-фаза
побудована в основному з атомів компоненту
Б). Пересичення
-фази
компонентами Б, що виникає, приводить
до пересування
границі всередину
-фази,
тобто приведе до росту кристалів
-фази.
2.
Дифузійний потік І атомів компоненту
Б в
-фазі
направлений від границі
.
У результаті склад
-фази
на границі
обідниться по відношенню до рівноважного.
Для підтримання рівноваги атоми Б з
-фази
будуть переходити до
-фази
до тих пір, доки рівноважна концентрація
-фази
на між фазній границі не відновиться.
Природно, що це приведе до часткового
розчинення кристалів
-фази.
Описана
схема аналізу фазового переходу
дозволяє не тільки визначити стимулюючий
направлену дифузію атомів компонентів
градієнт концентрації як рушійну силу
процесу, а й спрогнозувати кінцевий
результат процесу (розчинення або
виділення
-фази).
