Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Для наглядного отображения условий равновесия следует исходить из простой механической модели, которая смотря по изменению потенциальной энергии в зависимости от положения тела, обнаруживает три состояния равновесия:
1. Стабильное равновесие.
2. Лабильное (неустойчивое) равновесие.
3. Метастабильное равновесие.
На модели спичечной коробки становится ясно, что центр тяжести стоящей на ребре коробки (метастабильное равновесие) должен быть лишь приподнят для того, чтобы через лабильное состояние коробка упала на широкую сторону, т.е. в механически стабильное состояние равновесия, которое отображает состояние наименьшей потенциальной энергии (рис. 9.1.1).
Термическое равновесие характеризуется отсутствием температурных градиентов в системе. Химическое равновесие имеет место в том случае, когда между двумя веществами не происходит результирующая реакция, вызывающая изменение, т.е. все реакции проходят в прямом и обратном направлениях одинаково быстро.
Термодинамическое равновесие существует, если в системе выполняют механические, термические и химические условия равновесия. Это происходит, когда свободная энергия имеет минимум. При постоянном давлении, как вообще принято в металлургии, в качестве свободной энергии следует принимать свободную энергию Гиббса С, называемую свободной энтальпией:
При этом H есть энтальпия, или теплосодержание, или сумма внутренней энергии E и энергии вытеснения pV с давлением р и объемом V в соответствии с
Предполагая постоянный объем V, можно применить свободную энергию Гельмгольца F:
Из этих соотношений получается, что равновесное состояние характеризуется экстремальными значениями. Это значит, что свободная энергия Гиббса минимальна. Из уравнения (9.1.1) вытекает, что свободная энергия Гиббса определяется двумя составляющими, а именно энтальпией, или теплосодержанием H и энтропией S. Этот факт существен для понимания температурной зависимости существования различных фаз.
Поведение свободной энергии Гиббса при изменении температуры различно для веществ, находящихся в газообразной, жидкой или твердой фазе. Это означает, что в зависимости от температуры для определенной фазы (что равнозначно агрегатному состоянию) свободная энергия Гиббса минимальна. Таким образом, в зависимости от температуры в стабильном равновесии всегда будет та фаза, свободная энергия Гиббса которой при рассматриваемой температуре является соответственно самой низкой (рис. 9.1.2).
Факт, что свободная энергия Гиббса составляется из энтальпии и энтропии, становится ясным на примере температурной зависимости зон существования различных модификаций олова. Так, тетрагональное (белое) β-олово стабильно при температуре >13 °C, кубическое, подобное решетке алмаза (серое) α-олово существует в стабильном равновесии ниже температуры 13 °C (аллотропия).
Если при нормальных условиях 25 °C и 1 бар содержание теплоты стабильной β-фазы принимается за 0, то для серого олова получается содержание теплоты 2 кДж/моль. По содержанию теплоты при температуре 25 °C β-олово должно было бы превратиться при освобождении 2 кДж/моль в α-олово при условии, что система с меньшим содержанием теплоты должна быть стабильной. Фактически такого превращения не происходит, так как здесь стабильность фазы обеспечена увеличением амплитуды энтропии.
Благодаря увеличению энтропии при превращении α-олова в β-олово при нормальных условиях увеличение энтальпии компенсируется с излишком, так что свободная энергия Гиббса C=H-TS для модификации белого β-олова фактически выполняет условие минимума.
Так же, как энергия, аддитивно ведет себя энтропия системы, т.е. вся энтропия системы образуется из суммы отдельных энтропий. Энтропия является параметром состояния и, таким образом, может характеризовать состояние системы.
Всегда справедливо
где Q — тепло, подведенное к системе.
Для обратимых процессов имеет значение знак равенства. Для адиабатически изолированной системы dQ=0, таким образом, dS>0. Статистически энтропию можно наглядно изобразить тем, что при смешивании частиц, которые не обнаруживают равномерного заполнения пространства (как, например, при смешении газов), наиболее вероятно состояние гомогенного распределения, т.е. максимально беспорядочное распределение. Этим выражается энтропия S как мера произвольного распределения в системе и определяется как логарифм вероятности:
где k — постоянная Больцмана; w — вероятность распределения, например, двух видов молекул газа.