Проблема при проектировании материалов заключается в том, что как в природных, так и в искусственных образцах объем иногда уменьшается или увеличивается с повышением температуры. Хотя существуют механические объяснения этого явления для некоторых конкретных материалов, общее понимание того, почему это иногда происходит, все еще отсутствует. Исследование опубликовано в журнале Phase Equilibria and Diffusion.
Группа исследователей из штата Пенсильвания разработала теорию для объяснения и последующего предсказания энтропии.
Энтропия – это игра с энтропией, понятием, занимающим центральное место во втором законе термодинамики, которое выражает меру беспорядка в системе, возникающего в течение периода времени, когда нет энергии для поддержания порядка в системе.
Теория энтропии отмечает, что термодинамическая зависимость теплового расширения, когда объем увеличивается из-за повышения температуры, равна отрицательной производной энтропии от давления, то есть энтропия большинства материальных систем уменьшается с повышением давления. Это позволяет теории энтропии предсказывать изменение объема в зависимости от температуры на многомасштабном уровне, что означает различные масштабы внутри системы. Каждое состояние материи имеет свою собственную энтропию, а различные части системы имеют свою собственную энтропию.
“Когда мы говорим об энтропии конфигурации (различные способы перестройки частиц в системе), эта энтропия является лишь частью энтропии системы, — рассказывает Цзы-Куй Лю, профессор материаловедения и инженерии Дороти Пэйт Энрайт. – Поэтому в уравнение нужно добавить энтропию отдельных компонентов этой системы, а затем рассмотреть различные масштабы, Вселенную, Землю, людей, материалы; это разные масштабы в разных системах”.
Ученые считают, что энтропия может предсказывать аномалии других физических свойств фаз помимо объема. Это связано с тем, что реакции системы на внешние раздражители определяются энтропией.
Макроскопические функциональные возможности материалов возникают из совокупности микроскопических состояний (микросостояний) на всех масштабах на уровне и ниже масштаба макроскопического состояния исследования. Эти функциональные возможности трудно предсказать, потому что только одно или несколько микросостояний могут быть рассмотрены в типичном вычислительном подходе, таком как прогнозные расчеты “с самого начала”, которые помогают определить фундаментальные свойства материалов.
“Эта проблема становится острой в материалах с несколькими фазовыми переходами, которые представляют собой процессы, переводящие вещество из одного состояния в другое, например, испарение жидкости, – делится Лю. – Именно здесь часто возникают наиболее преобразующие функциональные свойства, такие как сверхпроводимость и гигантский электромеханический отклик”.
