Apa yang menentukan struktur sistem makroskopik?
Sebuah molekul air hampir tidak terlalu menarik: satu atom oksigen, dua hidrogen. Apa lagi yang bisa dikatakan? Tetapi jika kita mengumpulkan banyak molekul air… kita mendapatkan kepingan salju, kristal es, awan, kabut, dan air cair.
Kepingan salju
Sejumlah besar atom atau molekul dapat memunculkan hampir semua hal dan fisikawan mengetahuinya. Bahkan, beberapa, memimpikannya. Dengan menggabungkan molekul yang tepat, di bawah kondisi yang tepat, adalah mungkin untuk merancang, misalnya, paduan logam ultra-tahan, superkonduktor pada suhu kamar dan bahkan bahan dengan sifat yang belum kita bayangkan.
Ide merancang bahan memang bagus, tetapi ada masalah: ‘banyak’ molekul, seperti banyak orang, sulit diprediksi. Hanya dalam situasi ideal ada aturan sederhana, seperti hukum gas ideal, untuk membantu fisikawan mendeskripsikan sistem dengan banyak partikel. Keajaiban bahan rekayasa, bagaimanapun, jauh dari ideal dan prediksi ‘dunia baru’ ini oleh fisikawan sulit atau bahkan tidak mungkin.
Fisika dengan mudah menggambarkan perilaku satu atau dua partikel. Hukum Newton, misalnya, menggambarkan gerakan planet mengelilingi Matahari dengan cara yang sederhana dan elegan. Jika kita sekarang bergabung dengan planet lain, ketiga benda (Matahari dan dua planet) berinteraksi satu sama lain saat bergerak. Ketidakpastian ‘masalah tiga tubuh’ terkenal dan komputer serta konsep baru diperlukan untuk memecahkan masalah.
Mari kita bayangkan, bukan tiga, tetapi 10²³ partikel – jumlah atom atau molekul dalam satu sendok makan air. Partikel-partikel itu berinteraksi, berikatan, dan bertabrakan. Jumlah interaksi yang dipertaruhkan, pada saat tertentu, tidak terbayangkan. Bagaimana kita bisa memprediksi struktur atau sifat dari sistem ini?
Sebuah jawaban, dalam skala makroskopis, diberikan lebih dari dua ratus tahun yang lalu.
Termodinamika dan stabilitas
Suhu dan orde molekul
Sistem makroskopik dalam kesetimbangan termal memiliki perilaku yang sangat sederhana yang dijelaskan oleh hukum Termodinamika. Misalnya, hukum kedua, atau prinsip entropi maksimum, S , menyatakan bahwa kesetimbangan sistem dengan volume konstan, pada suhu T , ditentukan oleh keadaan yang meminimalkan energi bebas F ,
F = E -TS
Dimana E adalah energi (jumlah energi kinetik dan energi potensial) dari sistem. Stabilitas padatan atau gas disebabkan oleh prinsip ini dan fakta bahwa materi terdiri dari atom.
Padatan kristal adalah keadaan stabil pada suhu rendah dan kepadatan tinggi, setelah energi diminimalkan oleh urutan molekul – interaksi potensial interatomik memiliki minimum, untuk jarak yang ditentukan dengan baik, dan kristal terdiri dari pengaturan spasial periodik yang meminimalkan energi potensial sistem. Dengan cara analog, disimpulkan bahwa gas stabil pada suhu tinggi dan densitas rendah, di mana energi interaksi diabaikan dan entropi dimaksimalkan oleh gangguan molekuler.
Argumen ini secara umum dapat digunakan untuk menunjukkan adanya transisi fase. Dua fase, dalam hal ini padatan kristal dan gas, memiliki simetri yang berbeda. Dalam batas makroskopis, gas dicirikan oleh invarian translasi kontinu (semua titik setara dari sudut pandang sifat fisiknya), sedangkan padatan kristal memiliki simetri translasi diskrit (titik ekivalen hanya yang terkait dengan diskrit). grup terjemahan: jaringan Bravais). Karena padatan stabil pada suhu rendah dan gas stabil pada suhu tinggi, sistem harus menunjukkan setidaknya satu transisi fase.
Apa itu transisi fase?
Contoh transisi fase yang umum: air cair mendidih pada 100 ° C dan membeku pada 0 ° C, pada tekanan 1 atm. Di bawah kondisi ini, sifat fisik sistem sangat istimewa. Secara khusus, fungsi termodinamika menyajikan singularitas – Misalnya, dalam kurva sublimasi densitas berpindah secara terputus-putus dari densitas tipikal padatan ke densitas sekitar 1000 kali lebih rendah, tipikal gas.
Fase air dan urutan molekul
Diagram fase air
Pada dasarnya ada dua jenis transisi fase: kontinu dan diskontinu. Transisi antara padat dan gas terputus-putus, karena merupakan panas laten . Ketika suatu zat berpindah dari fase tidak teratur (gas) ke fase teratur (padatan), sejumlah panas (panas laten) dilepaskan dalam proses. Pelepasan panas ini mengungkapkan bahwa struktur material berubah secara radikal. Ini terjadi, khususnya, di sepanjang garis sublimasi, fusi, dan perebusan sebagian besar zat yang diketahui (karena itulah kita merasakan lebih banyak panas ketika, pada suhu yang sama, kita berada di lingkungan yang lebih lembab – di kamar mandi mandi, karena uap air melepaskan sejumlah panas – panas laten, dengan mengembun di kulit kita).
Sistem koloid yang diproduksi baru-baru ini (dispersi partikel bola, dengan sinar orde 1, dalam pelarut) memiliki fase gas (atau cairan) tunggal dan fase padat tunggal, dipisahkan oleh garis sublimasi. Namun, sebagian besar zat alami dicirikan oleh diagram fase yang sedikit lebih kompleks dan juga memiliki fase cair. Tidak seperti padatan dan gas, cairan stabil dalam kisaran suhu yang dibatasi oleh titik rangkap tiga (di mana padat, cair dan gas hidup berdampingan secara bersamaan) dan oleh titik kritis, di mana garis kondensasi berakhir, di mana fase cair dan gas hidup berdampingan.. Titik kritis antara cairan dan gas adalah contoh transisi fase kontinu, yaitu transisi yang tidak melibatkan panas laten.