Термодинамика фазовых переходов изучает изменения состояния вещества, происходящие при переходе из одной фазы в другую, такие как плавление (переход из твердого состояния в жидкое) и испарение (переход из жидкого состояния в газообразное). В этом контексте важную роль играют понятия свободной энергии, а также энтальпии и энтропии.

Свободная энергия (Gibbs свободная энергия)

Свободная энергия Гиббса (G) — это термодинамическое величину, которая позволяет предсказать, произойдет ли спонтанный процесс при постоянной температуре и давлении. Она определяется следующим образом:

[ G = H - TS ]

где:

( H ) — энтальпия системы,( T ) — температура,( S ) — энтропия.Плавление

При плавлении твёрдое вещество переходит в жидкое состояние. В этом процессе свободная энергия играет ключевую роль:

Изменение свободной энергии: При достижении температуры плавления (температуры, при которой давление становится равным давлению пара в системе), свободная энергия твердой и жидкой фаз становится равной. Это условие равновесия между двумя фазами.

Влияние температуры: При повышении температуры свободная энергия жидкой фазы становится меньше, чем у твердой (если говорить о системах при постоянном давлении и температуре). Это приводит к тому, что вещество начинает плавиться.

Энтальпия плавления: Для того чтобы осуществить плавление, необходимо добавить определенное количество энергии (калориметрическая величина, называемая энтальпией плавления), это приводит к увеличению энергии системы и изменению ее структуры.

Испарение

Испарение представляет собой переход вещества из жидкого состояния в газообразное.

Возрастание энтропии: При испарении энтропия системы возрастает, поскольку молекулы в газе имеют больше свободы движения, чем в жидкости. Это изменение влияет на свободную энергию.

Условия равновесия: Как и при плавлении, испарение происходит при температуре, когда свободная энергия жидкой фазы равна свободной энергии паровой фазы. Когда паровая фаза достигает равновесия с жидкостью, система находится в термодинамическом равновесии.

Энтальпия испарения: Как и в случае плавления, для испарения также необходимо добавить калориметрическую величину, называемую энтальпией испарения. Эта энергия необходима, чтобы преодолеть силы взаимного притяжения между молекулами в жидкости.

Заключение

Таким образом, свободная энергия является ключевым параметром, определяющим спонтанность фазовых переходов. Изменения в свободной энергии в процессе плавления и испарения помогают понимать, какие условия необходимы для достижения равновесия между состояниями вещества и как происходят термодинамические процессы.