Sadržaj:
2023 Autor: Jake Johnson | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-05-24 23:12
Šta određuje strukturu makroskopskog sistema
Molekul vode, jednostavno, nije baš zanimljiv: jedan atom kiseonika, dva vodonika. Šta se više može reći? Ali ako spojimo mnogo molekula vode… dobićemo pahulje, kristale leda, oblake, maglu i tekuću vodu.
Pahulja
Veliki broj atoma ili molekula može dovesti do gotovo svega i fizičari to znaju. U stvari, neki sanjaju o tome. Kombinacijom pravih molekula, pod pravim uslovima, moguće je dizajnirati, na primjer, ultra otporne metalne legure, supravodnike na sobnoj temperaturi, pa čak i materijale sa svojstvima koja još nismo zamislili.
Ideja dizajna materijala je odlična, ali postoji problem: 'gomile' molekula, poput gomile ljudi, teško je predvidjeti. Samo u idealizovanim situacijama postoje jednostavna pravila, kao što je zakon idealnog gasa, koja pomažu fizičarima da opišu sisteme sa mnogo čestica. Čuda konstruisanih materijala, međutim, daleko su od idealnog režima i prognoze ovog 'novog sveta' fizičara bile su teške ili čak nemoguće.
Fizika lako opisuje ponašanje jedne ili dvije čestice. Njutnovi zakoni, na primer, opisuju kretanje planete oko Sunca na jednostavan i elegantan način. znaj sadaHajde da sastavimo još jednu planetu, tri tela (Sunce i dve planete) međusobno deluju dok se kreću. Nepredvidljivost 'problema tri tijela' je poznata i potrebni su kompjuteri i novi koncepti da se problem riješi.
Zamislite, ne tri, već 10²³ čestica – broj atoma ili molekula u žlici vode. Čestice međusobno djeluju, vežu se i sudaraju. Broj interakcija u pitanju, u svakom trenutku, je nezamisliv. Kako možemo predvidjeti strukturu ili svojstva ovog sistema?
Odgovor, na makroskopskoj skali, dat je prije više od dvije stotine godina.
Termodinamika i stabilnost
Temperatura i molekularni poredak
Makroskopski sistemi u termalnoj ravnoteži imaju izuzetno jednostavno ponašanje opisano zakonima termodinamike. Na primjer, drugi zakon, ili princip maksimalne entropije, S, nam govori da je ravnoteža sistema sa konstantnom zapreminom, na temperaturi T, određena stanjem koje minimizira slobodnu energiju F,
F=E-TS
Gdje je E energija (zbir kinetičke i potencijalne energije) sistema. Stabilnost čvrste supstance ili gasa je zbog ovog principa i činjenice da se materija sastoji od atoma.
Kristalna čvrsta supstanca je stabilno stanje na niskim temperaturama i visokim gustinama, pošto je energija minimizirana molekularnim redom – međuatomska potencijalna interakcija ima minimum, za razdaljinu dobrodefinisan, a kristal se sastoji od periodičnog prostornog rasporeda koji minimizira potencijalnu energiju sistema. Na analogan način, zaključuje se da je plin stabilan na visokim temperaturama i niskim gustoćama, gdje je energija interakcije zanemarljiva, a entropija je maksimizirana molekularnim poremećajem.
Ovaj argument se općenito može koristiti da pokaže postojanje faznih prijelaza. Dve faze, u ovom slučaju kristalna čvrsta materija i gas, imaju različite simetrije. U makroskopskoj granici, gas karakteriše kontinuirana translaciona invarijantnost (sve tačke su ekvivalentne sa stanovišta svojih fizičkih svojstava), dok kristalna čvrsta materija ima diskretnu translacionu simetriju (ekvivalentne tačke su samo one koje su međusobno povezane) od strane diskretne prevodilačke grupe: Bravais mreža). Pošto je čvrsta supstanca stabilna na niskim temperaturama, a gas stabilan na visokim temperaturama, sistem mora nužno pokazati barem jednu faznu tranziciju.
Šta je fazna tranzicija?
Primeri faznih prelaza su uobičajeni: tečna voda ključa na 100°C i smrzava se na 0°C, pri pritisku od 1 atm. Pod ovim uslovima, fizička svojstva sistema su veoma posebna. Konkretno, termodinamičke funkcije predstavljaju singularnosti – Na primjer, u krivulji sublimacije gustina ide diskontinuirano od tipične gustine čvrste supstance do gustine od oko 1000 puta niže, tipične za gas.
Vodene faze i molekularni poredak
Fazni dijagram vode
U suštini postoje dvije vrste faznih prijelaza: kontinuirani i diskontinuirani. Prijelaz između čvrstog i plina je diskontinuiran, jer se radi o latentnoj toplini. Kada supstanca pređe iz neuređene faze (gas) u uređenu fazu (čvrsta), u procesu se oslobađa određena količina toplote (latentna toplota). Ovo oslobađanje topline otkriva da je struktura materijala radikalno promijenjena. To se posebno dešava na liniji sublimacije, fuzije i ključanja većine poznatih supstanci (zbog toga osećamo više toplote kada smo, na istoj temperaturi, u vlažnijem okruženju – pod tušem u kupatilu, jer vodena para oslobađa određenu količinu toplote – latentnu toplotu, kada se kondenzuje na našoj koži).
Koloidni sistemi (disperzija sfernih čestica, sa zracima reda veličine 1, u rastvaraču) nedavno proizvedeni imaju jednu gasovitu (ili fluidnu) fazu i čvrstu fazu, odvojene sublimacionom linijom. Međutim, većinu prirodnih supstanci karakteriziraju malo složeniji fazni dijagrami i također imaju tečnu fazu. Za razliku od čvrste materije i gasa, tečnost je stabilna u rasponu temperatura ograničenim trostrukom tačkom (gde čvrsta materija, tečnost i gas koegzistiraju istovremeno) i kritičnom tačkom, gde se završava kondenzaciona linija, duž koje oni koegzistiratitečnu fazu i gasnu fazu. Kritična tačka između tečnosti i gasa je primer kontinuiranog faznog prelaza, to jest, prelaza koji ne uključuje latentnu toplotu.
