КРИТЕРИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ В СОЗДАНИИ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2020. Том 2

УДК 669

КРИТЕРИЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ В СОЗДАНИИ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

А. А. Снежко

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31

E-mail: golenkova.aleksa@mail.ru

Перспективным материалам нередко свойственны метастабилъные структурные состояния. Обсуждается взаимосвязь термодинамических параметров и пределами устойчивости данных состояний.

Ключевые слова: метастабилъные состояния, аморфные тела, критерий термодинамического равновесия.

CRITERION OF THERMODYNAMIC EQUILIBRIUM IN CREATION

OF NEW TECHNOLOGIES

A. A. Snezhko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: golenkova.aleksa@mail.ru

Promising materials are often characterized by metastable structural states. The paper discusses the relationship of thermodynamic parameters and the stability limits of these states.

Keywords: metastable states, amorphous bodies, criterion of thermodynamic equilibrium.

В последние десятилетия активность ученых связана с поиском начальных условий для создания новых необычных структур, иногда, традиционных материалов с целью получить уникальные сочетания свойств, так необходимые для авиа- и ракетостроения. Основная формула материаловедения «состав - структура - свойства», воспринимаемая как руководство к действию по разработке новых перспективных материалов постепенно трансформируется в «состав - технологическое воздействие - структура - свойства». Успешными, например, оказались технологии, модифицирующие структуры на атомном уровне, продуктом которых являются аморфные и нанокристаллические системы (диссипативные структуры). Существующие способы получения необычных структур сводятся к одному общему знаменателю - возможности ухода от равновесия, что достигается разными манипуляциями. К примеру, можно «заставить» атомы традиционных металлов и сплавов оставаться в «замороженном состоянии» быстрой закалкой из расплава со скоростью в пределах 105^106 град/с [1], воздействием высокоэнергетических источников на поверхностный слой, химическим или электроосаждением с введением аморфизаторов (например, P, B, Si, в сплавы Ni, Fe, Co и др.) [2], формированием покрытий при особых условиях. Вследствие подобных технологических приемов возникают метастабильные структуры, характеризуемые энергонасыщенными состояниями.

При высоком уровне свойств и интересных их сочетаниях отмечаются и минусы, такие как относительная нестабильность во времени, вследствие релаксационных процессов,

Секция «Концепции современного естествознания»

возвращающих атомы в стабильное естественное состояние при благоприятных условиях (например, повышении температуры). Чтобы добиться устойчивого метастабильного состояния, необходимо научиться моделировать ситуации, исходя из синергетических законов, тесно связанных с физико-химическим материаловедением.

Возникновение метастабильного состояния объясняется теорией термодинамического равновесия. Состоянию равновесия замкнутой системы соответствует максимум энтропии S. При постоянном объёме V и температуре Т равновесию отвечает минимум свободной энергии F (гельмгольцевой энергии), а при постоянном давлении р и температуре Т -минимум термодинамического потенциала G (гиббсовой энергии). Однако определённым значениям внешних параметров (р, V, Т и др.) может соответствовать несколько экстремумов (максимумов или минимумов) одной из перечисленных выше функций состояния. Каждому из относительных минимумов функции F или G соответствует устойчивое по отношению к малым воздействиям или флуктуациям состояние. Такие состояния и называются метастабильными. При небольшом отклонении от метастабильного состояния система возвращается в это же состояние, однако по отношению к большим отклонениям от равновесия она неустойчива и переходит в состояние с абсолютным минимумом термодинамического потенциала, которое устойчиво по отношению к конечным отклонениям значений физических параметров от равновесных. Таким образом, метастабильное состояние устойчиво только в известных пределах.

Основными критериями устойчивости термодинамического равновесия в физико-химических системах являются изменения энергии Гиббса (или Гельмгольца) и энтропии [3]. Термодинамический анализ возможности протекания химической реакции в неизолированных системах в изотермических условиях (то есть выхода из метастабильного состояния в состояние равновесия), состоит в определении величины и знака изменения энергии Гиббса реакции (AG ). При AG < 0 возможно самопроизвольное протекание реакции, при AG = 0 реакция находится в состоянии равновесия, а при AG > 0 самопроизвольное протекание реакции запрещено. В последнем случае возникает необходимость в оценке той температуры, при которой AG = 0 и, выше которой AG < 0 , т.е. создается возможность самопроизвольного протекания реакции. Для изолированной системы, как следует из второго закона термодинамики, знак изменения энтропии может являться критерием протекания самопроизвольного процесса в ней.

Все самопроизвольные процессы, а других не может быть в изолированной системе по определению, будут происходить в направлениях, стремящихся к равновесию, и будут сопровождаться повышением энтропии. Только в состоянии равновесия изменение энтропии равно нулю.

Таким образом, гарантом создания новых перспективных материалов с необычными структурами выступают термодинамические функции, определяющие пределы устойчивости метастабильных состояний.

Библиографические ссылки

1. Достижение аморфного состояния при быстрой закалке [Электронный ресурс]. URL: http://metal-archive.ru/tehnologiya-bystrozakalennyh-splavov/2669-dostizhenie-amorfnogo-sostoyaniya-pri-bystroy-zakalke.html (дата обращения: 27.05.2020).

2. Голенкова А. А. Аморфные и кристаллические дисперсные Ni100-xPx порошки / Л. А. Чеканова, Е. А. Денисова, А. А. Голенкова // Тез. докладов Межвузов. научной конф. Студент, наука, цивилизация. Красноярск: 1996.

3. Еремин В.В., Каргов С.И., Успенская И.У., Кузьменко Н.Е., Лунин В.В. Основы физической химии. Теория и задачи. - М.: Экзамен, 2005 . - 480 с.

© Снежко А. А., 2020