Условия и виды фазовых равновесий

Фазовое равновесие — сосуществование термодинамически равновесных фаз гетерогенной системы. Фазовое равновесие является одним из основных случаев термодинамического равновесия. Равновесию гетерогенных систем отвечает:

• 1. Равенство химических потенциалов каждого компонента во всех фазах, что обеспечивает равновесное распределение компонентов между фазами.
• 2. Минимальное значение одного из термодинамических потенциалов или максимальное значение энтропии всей системы при данных условиях (для изолированной системы).

Фазу определяют как однородную часть (однородность по составу и физическому состоянию) гетерогенной системы, отделённую от других частей поверхностью раздела.

Система характеризуется термодинамической степенью свободы или вариантностью — это число параметров, которые можно независимо менять, не меняя при этом числа и вида фаз данной системы, т. е. не нарушая равновесное состояние системы.

Системы классифицируются:

• 1. По числу фаз: однофазные, двухфазные, трёхфазные и т. д.;
• 2. По числу независимых компонентов: однокомпонентные, двухкомпонентные (двойные), тройные и т. д.;
• 3. По числу степеней свободы: инвариантные (нонвариантные, безвариантные, С=0), моновариантные (одновариантные, С=1), дивариантные (С=2), три вариантные (С=3) [5].

Правила фаз Гиббса Общие закономерности, которым подчиняются равновесные гетерогенные системы, устанавливаются правилом фаз, выведенным Гиббсом в 1876 г.

Правило фаз Гиббса устанавливает соотношение между числом фаз , числом компонентов и числом степеней свободы .

Правило фаз может быть сформулировано следующим образом:

Число степеней свободы равновесной термодинамической системы, на которую из внешних параметров влияют только давление и температура, равно числу компонентов системы плюс два и минус число фаз.

.

Цифра 2 обозначает число независимых переменных (), одинаковых для всех равновесных фаз. Если условие существования системы кроме температуры и давления определяется ещё каким-нибудь фактором интенсивности, то правило фаз Гиббса запишется в общем виде:

.

где — число независимых переменных [6].

«Правило рычага».

Если одна фаза распадается на две фазы, то соотношение между ними обратно пропорционально отрезкам, соединяющим состав исходной фазы с составами полученных фаз:

.

Левая часть представляет собой соотношение между количеством твёрдой и жидкой фаз при температуре, а в правой части — - отрезок от состава исходной до состава полученной жидкой фазы (пересечение конноды с ликвидусом), — отрезок от состояния исходной до состояния полученной твёрдой фазы (пересечение конноды с солидусом) [5].

Стандартная диаграмма состояния с химическим соединением, плавящимся конгруэнтно.

На рисунке 2.1 представлена диаграмма состояния двухкомпонентной системы, в которой компоненты и образуют химическое соединение, плавящееся конгруэнтно.

Вертикаль, проведённая от точки состава химического соединения до линии ликвидуса, характеризует плавление смеси, отвечающей составу. Смесь будет плавиться при определённой температуре, соответствующей максимуму на кривой ликвидуса.

Рисунок 2.1 — Диаграмма состояния с химическим соединением, плавящимся конгруэнтно При подсчёте вариантности следует помнить, что число компонентов равно 2 (двухкомпонентная система — компоненты и), а химическое соединение не является независимым компонентом, т.к. его концентрация зависит от концентрации и [5].