Компоненты- индивидуальные вещества, которые, будучи взяты в наименьшем числе, достаточныдля построения всей системы, причем предполагается, что система находится вравновесном состоянии. Компоненты можно определить как независимые составныечасти системы.
Пример:система вода – соль. Обе составные части являются компонентами, т. к. ихколичества в системе можно менять независимо одно от другого и обе они нужныдля построения системы.
Числокомпонентов в системе может быть равно или меньше числа составных частей.
Еслив системе химические реакции идти не могут, то число компонентов равно числусоставных частей (под составными частями системы подразумеваются те образующиеее вещества, которые способны к существованию в изолированном виде). Такаясистема называется физической, или системой I класса.
Еслиже в системе могут идти химические превращения, то число компонентов равночислу составных частей, уменьшенному на число независимых химических реакций,которые могут идти в ней. Такая система называется химической, или системой IIкласса.
Такимобразом — система вода – соль – физическая, если у соли нет кристаллогидрата.Примером химической системы может служить система KNO3 – NaCl – H2O. Врезультате обменной реакции
KNO3 + NaCl = KCl + NaNO3
образуютсядве другие соли. Число составных частей будет равно 5. Однако число компонентовравно 4.
Почислу компонентов системы делятся на однокомпонентные, двухкомпонентные(бинарные), трехкомпонентные (тройные) и т. д.
Фаза– совокупность однородных систем, находящихся между собой в термодинамическомравновесии. Равновесная гетерогенная система состоит из нескольких (минимумдвух) фаз. Если в системе имеется несколько однородных частей, тождественных посоставу и термодинамическим свойствам, то все они образуют одну фазу.
Пример:
еслиН2О находится в равновесии с паром, то в этой системе имеются две фазы: вода ипар;
еслисистема состоит из насыщенного раствора соли, кристаллов соли и пара, то всистеме существует 3 фазы.
Равновесие в гетерогенной системе
Системанаходится в механическом и тепловом равновесии, если Р и Т во всех фазаходинаковы. Однако в системе при этих условиях возможен переход вещества изодной фазы в другую. Признаком того, что система также находится в равновесии,т. е. не происходит перехода какого-либо компонента из одной фазы в другую,является равенство удельных химических потенциалов данного компонента врассматриваемых фазах.
Однимиз важнейших законов гетерогенного равновесия является правило фаз. Онооперирует с основными понятиями о компоненте, фазе и числе степеней свободы.Два первых понятия определены выше.
Подтермодинамическими степенями свободы, или просто под степенями свободы,подразумеваются независимые параметры системы, находящиеся в термодинамическомравновесии, которые могут принимать произвольные значения в определенноминтервале, причем число фаз не изменяется. Другими словами, степенями свободыявляются те параметры системы, которые играют роль независимых переменных. Всеостальные параметры будут их функциями.
Числостепеней свободы (вариантность системы) – это число, указывающее, сколькимпараметрам, характеризующим состояние равновесной системы, можно даватьпроизвольные значения без того, чтобы число фаз в системе изменилось.
Правилофаз: В изолированной равновесной системе число фаз плюс число степеней свободыравно числу компонентов плюс 2
φ + V = k + 2
т.к. условием равновесия является равенство химических потенциалов, а значение ихне зависит от количества фазы, то и равновесие в системе не зависит отколичества фазы.
Пример:В систему, состоящую из 100 г льда и 1 кг воды, можно добавить (или отнять) ещельда или воды, взятого, конечно, в том же состоянии (Т, Р), в котором находилсялед.
Есликакой-то параметр, характеризующий систему остается постоянным, то числопеременных уменьшится на единицу и правило фаз запишется в виде:
φ + V = k + 1
Числостепени свободы уменьшится в этом случае на единицу. В таком виде правило фазприменяется при изучении диаграммы состояния систем, образованных практическинелетучими веществами. Влияние давления на эти системы невелико и его принимаютза постоянную величину.
Пример:диаграмма плавкости нелетучих металлов при атмосферном давлении.
Классификация систем
Нонвариантныесистемы: число фаз больше числа компонентов на 2, следовательно число степенейсвободы равно 0 (изменение хотя бы одного параметра приводит к исчезновению покрайней мере одной фазы).
Моновариантныесистемы: число фаз больше числа компонентов на 1, следовательно число степенейсвободы равно 1 (только один параметр может быть выбран произвольно безизменения в системе числа фаз).
Дивариантныесистемы: число фаз равно числу компонентов, следовательно число степенейсвободы равно 2 (два параметра могут быть выбраны произвольно без изменениячисла фаз системы).
Тривариантная:число фаз меньше числа компонентов на единицу. Число степеней свободы равно 3.
Приизображении диаграммы состояния нонвариантному равновесию соответствует точка(все координаты – определенные и постоянные величины); моновариантному –отвечает линия (одна координата может быть выбрана произвольно); бивариантному– участок площади или поверхности (две координаты могут быть произвольновыбраны) и.т. д.
Еслисостояние системы определяется не только температурой и давлением, но иконцентрацией, то правило фаз запишется в виде:
φ + V = k + 3.
Вэтом случае число степеней свободы всегда будет больше на единицу.
Пример:дополнительным параметром может быть величина поверхности частиц, так,например, отдельные частички, из которых состоит одна фаза, настолько мелкие,что нельзя пренебречь значением поверхностной энергии.
Диаграммысостояния (однокомпонентные системы)
Дляописания свойств систем широко используют диаграммы состояния. На осяхкоординат откладывают значения температуры и давления, характеризующие условиясуществования, для выражения состава системы используют одну или двекоординаты. Линиями (поверхностями) на таких диаграммах разделяют областисуществования отдельных фаз.
УравнениеКлаузиуса – Клайнерона
Ковсем моновариантным равновесиям можно применить известную из термодинамикиформулу Клаузиуса-Клайнерона:
/>(14)
q– скрытая теплота перехода одной фазы в другую, находящуюся с ней в равновесии;
Т– абсолютная температура, при которой находятся эти фазы;
Р– давление;
?V– изменение объема при переходе от одной фазы к другой.
q– всегда положительная (поглощенная теплота).
Втораяформа этого уравнения:
/>(15)
имеетболее ограниченное применение, чем первое, т. к. она относится к моновариантнымравновесиям лишь таких систем, в которых одна фаза – газообразная.
Список литературы
ПетроваЕ.М… Понятие о компонентах и фазах. Гетерогенные равновесия.
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта kristall.lan.krasu.ru/