Правило фаз Гиббса

ВЫВОД И АНАЛИЗ.

Для выражения состава двухкомпонентной системы достаточно знать долю одного компонента в системе, а содержание второго компонента будет вполне определенным.

Для системы, в состав которой входят два и более компонентов, можно ограничиться содержанием (К-1) компонентов. Если, например, в стакане чая содержится 3 компонента (вода, чай, сахар), а сахара содержится 0,7%, чая 0,3%, то естественно, что остальное приходится на воду, то есть достаточно знать содержание двух компонентов – на один меньше состава системы.

При распределении этих компонентов в Ф фазах потребуется Ф(К-1) данных для описания состава системы. Когда состав системы изменяется в зависимости от внешних параметров (например, температуры, давления), число которых составляет n, общее число данных о составе системы равно Ф(К-1)+n.

ЧИСЛО УРАВНЕНИЙ, СВЯЗЫВАЮЩИХ РАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ К-КОМПОНЕНТОВ В Ф-ФАЗАХ.

Напомню, что равновесное состояние характеризуется отсутствием изменений энергии Гиббса или энергии Гельмгольца ΔG=0 или ΔF=0.

Условием равновесия фаз в гетерогенной многокомпонентной системе является равенство химических потенциалов любого компонента во всех фазах. Тогда число уравнений, связывающих равновесное состояние К компонентов в Ф фазах равно:

Всего (Ф-1) уравнений

…………………….. (Ф-1) уравнений

.

.

.

…………………….. (Ф-1) уравнений

К(Ф-1) – общее число уравнений

Для характеристики фазового состояния системы введено понятие о числе степеней свободы.

Число степеней свободы равновесной термодинамической системы – это число параметров (например температура, давление, концентрация для многокомпонентной системы), которые можно произвольно менять без изменения числа и вида фаз.

Число степеней свободы обозначается через С.

Напомню, что общее число параметров системы выражается как Ф(К-1)+n. Но не все компоненты Ф(К-1)+n, определяющие состав системы, независимы друг от друга. Число степеней свободы С равно общему числу данных о составе системы за вычетом числа связей между ними К(Ф-1):

С=Ф(К–1)+ n–К(Ф–1) или

С = К – Ф + n *

В пределах Земли все системы находятся в одинаковых условиях, и воздействие гравитационного, магнитного, электрического и других полей можно не учитывать. К числу внешних параметров, учитываемых для конденсированных систем (жидкость, твердое тело), относятся температура, n=1, а для неконденсированных систем (газ) – ещё и давление, т.е. n=2. Таким образом, уравнение * С = К – Ф + n принимает вид:

С = К–Ф+1 ** С = К–Ф+2 ***

(Т) (Т, Р)

Все три уравнения выражают правило фаз Гиббса, которое формулируется следующим образом:

Число степеней свободы равновесной термодинамической системы, на которую влияют n внешних факторов, равно числу независимых компонентов системы минус число фаз плюс n.

С – число степеней свободы.

К – число независимых компонентов.

Ф – число фаз системы.

n – число внешних параметров, влияющих на систему.

n=2 (Т,Р); n=1 (Т или Р)

  H₂O

С=1-1+2=2

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ В СООТВЕТСТВИИ С ПРАВИЛОМ ФАЗ ГИББСА.

1) По числу компонентов:

К=1 – однокомпонентная

К=2 – двухкомпонентная

К=3 – трехкомпонентная

2) По числу фаз:

Ф=1 – однофазная (гомогенная)

Ф=2 – двухфазная (гетерогенная)

Ф=3 – трехфазная (гетерогенная)

3) По числу степеней свободы:

С=0 – инвариантная

С=1 – моновариантная

С=2 – дивариантная

С=3 – тривариантная

t

Например, CaCO_3(тв) → CuO_(тв)+CO_2(г)↑

3 компонента, 2 фазы (гетерогенная система)

С=К-Ф+2=3-2+2=3

Число степеней свободы не может быть меньше нуля. Отрицательное значение числа степеней свободы указывает на то, что не все компоненты находятся в равновесии во всех фазах.

Дата добавления: 2014-01-07