Энергетические характеристики

Измерения или расчеты энергий отдельных частиц (локальных энергий) для макросистем не представляются возможными. Поэтому речь может идти только о макроскопической, глобальной характеристике — полной или внутренней энергии системы.

Принципиальное отличие макросистем от атомов или молекул заключается в том, что понятие энергии имеет определенную специфику. Для микросистем полную энергию удобно подразделять на кинетическую и потенциальную. Для макросистем более существенным является разделение полной энергии на свободную F (которую можно извлечь посредством работы) и связанную Q (которую можно извлечь только посредством теплообмена). Опыт показывает, что любая макросистема обладает меньшей работоспособностью, чем величина ее полной энергии и, следовательно, всегда существует часть внутренней энергии, которую нельзя извлечь из системы в виде полезной работы, а можно только посредством охлаждения.

Смысл такого разделения заключается в том, что величина связанной энергии системы зависит от ее степени упорядоченности (степени связанности частиц между собой), мерой которой может служить энтропия S:

Q = TS и E = F + TS

Если проследить изменение энтропии с ростом температуры, то можно заметить, что для подавляющего большинства макросистем эта зависимость имеет точки разрыва, в которых энтропия скачкообразно возрастает:

Очевидно, что такие скачки связаны с резкой перестройкой структуры и сопровождаются скачкообразным изменением характера и степени упорядоченности системы. Другими словами, наблюдается перестройка структуры фазы. Эти скачки и соответствуют фазовым переходам.

Для любой макросистемы, т.о., можно выделить две принципиально различные области температуры: 1) низкие температуры и низкая энтропия, 2) высокие температуры и высокая энтропия. Первая область включает кристаллические состояния, а вторая — аморфные состояния. Принципиальное различие между ними сводится к различной степени пространственной упорядоченности частиц.

Еще одна особенность КМС, связанная с энергией, заключается в нарушении равномерности плотности энергии вблизи поверхностей раздела и границ фазы.

Граничный слой молекул (атомов) всегда обладает повышенной (избыточной) энергией, что выражается в возникновении сил поверхностного натяжения и тенденции к минимизации площади межфазных поверхностей раздела.

Дата добавления: 2015-10-21