Фазовые переходы. Понятия «фаза», «число компонентов», «число степеней свободы».
Правило фаз Гиббса.
Однокомпонентные системы. Диаграмма состояния воды.
Фаза – гомогенная (однородная) часть вещества.
Фазы отделены одна от другой межфазовыми границами (поверхностью раздела фаз).
Составные вещества ‑ вещества, входящие в состав системы, могут быть выделены из системы и могут существовать без неё.
В химических системах некоторые составные вещества могут образовываться в результате прохождения химической реакции. Такие составные вещества называются зависимыми.
Исходные вещества, составляющие систему – независимые вещества.
Компонент –это такая составная часть системы, наименьшего количество которого достаточно для создания любой фазы в системе, находящейся в равновесии. В физических системах число компонентов равняется числу составных веществ системы, так как они не вступают в химическое взаимодействие.
В химических системах число компонентов меньше числа составных веществ, образующих систему, на число химических уравнений, согласно которым вещества, образующие систему, обратимо реагируют между собой при данных условиях существования системы.
Химическая система
Количество
составных веществ
уравнений
фаз
компонентов
2СО + О2 ↔ 2СО2
1 (газовая)
3 ‑ 1 = 2
СuO (т) + H2 ↔ Сu (т) + H2O (ж)
4 (1 газ, 2 тв., 1 ж.)
4 ‑ 1 = 3
FeO (т) + СО ↔ Fe (т) + СО2 (г)
3 (2 тв., 1 газ)
4 ‑ 1 = 3
Правило фаз Гиббса: в равновесной многофазовой термодинамической системе, на которую извне влияют только температура и давление, число степеней свободы равно числу компонентов плюс два, минус количество фаз.
С = К + 2 – Ф,
К ‑число независимых компонентов в системе;
Ф ‑число фаз;
С ‑число степеней свободы системы.
Для однокомпонентной системы (К = 1), правило фаз имеет вид: С = 3 – Ф. Если Ф = 1, то С = 2 (когда вся жидкость перешла в пар). Число равновесных фаз не может быть больше 3 (С = 0).
Для двухкомпонентной системы (К = 2), правило фаз имеет вид: С = 4 – Ф. Если Ф = 1, то С=3. Число равновесных фаз не может быть больше чем 4 (С=0).
Для трёхкомпонентной системы (К = 3), правило фаз имеет вид: С = 5 – Ф. Если Ф=1, то С=4. Число равновесных фаз в системе не может быть больше чем 5 (С = 0).
S Равновесия в однофазных системах – гомогенные (ионные равновесия в растворах).
S Равновесия между разными фазами в системе – гетерогенные, или фазовые равновесия.
В С
220
Р1
атм
лёд вода
У
1,00 Х
6,03·10-3
S Т водяной пар
А
273,16 373 647 Т,к
Для Н2О: повышение давления разрушает водородные связи в кристалле льда, образуется более плотная жидкая фаза.
т.У – лед в равновесии с водой при Т = 273К (00С) и Р =1атм. – соответствует tзам.Кривая SТ: изменение давления пара воды при температурах ниже, чем точка замерзания.
Жидкость – в метастабильном состоянии. Явление, которое соответствует существованию воды в метастабильном состоянии, называется переохлаждением.
т.С – критическая точка воды (при температурах и давлениях выше этой точки пары воды не могут быть превращены в жидкость ни при каких давлениях).
tкрит (Н2О) = 647К; Ркрит (Н2О) = 220атм.
т.Т – тройная точка (лёд, жидкая вода и водяной пар в равновесии):