Тема 1 фазовые превращения вещества

Введем некоторые понятия и определения, необходимые для обсуждения равновесных фазовых превращений.

Вещество, структурными частями которого являются атомы, молекулы или ионы, называется однородной или гомогенной системой. Жидкая вода – гомогенная система, состоящая из одного вида микрочастиц – молекул воды. К гомогенным системам относятся также водные растворы сахарозы (молекулы воды и сахарозы) и поваренной соли (молекулы воды, ионы Na⁺ и Cl^).

В отличие от гомогенной (однородной) системы, внешним признаком гетерогенной системы служит поверхность раздела, существующая между фазами. Фаза – часть системы, характеризующаяся одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Лед, жидкая вода и пар, находящиеся в контакте между собой, составляют части или фазы неоднородной или гетерогенной системы.

Гетерогенная (неоднородная) система состоит из двух или большего числа фаз. Обозначим число фаз системы символом , тогда чистая вода или водный раствор – гомогенные однофазные системы ( = 1). Вода с кусочками плавающего льда – гетерогенная двухфазная система ( = 2). Раздробленные кусочки льда обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами и в совокупности представляют одну фазу. Жидкая вода обладает такими же химическими свойствами, что и лед, но физические свойства жидкой воды (например, плотность) отличаются от физических свойств льда. Этого различия достаточно, чтобы жидкая вода и лед рассматривались как отдельные фазы.

Компонент – вещество, входящее в состав системы, способное существовать вне ее в качестве индивидуального соединения.

Обозначим количество компонентов символом К. Чистая вода – однокомпонентная система (К = 1). Водный раствор сахарозы состоит из двух компонентов (К = 2). Оба компонента (Н₂О и С₁₂Н₂₂О₁₁) могут быть выделены из раствора в виде индивидуальных химических соединений – жидкой воды и кристаллов сахарозы.

Заметим, что водный раствор поваренной соли – гомогенная двухкомпонентная система. В растворе существует три вида микрочастиц: молекулы Н₂О, ионы Na⁺ и Cl^. Ионы Na⁺ не могут существовать вне раствора в качестве самостоятельного компонента. Это касается также ионов Cl^, поэтому водный раствор соли при наличии трех видов микрочастиц остается двухкомпонентной системой: вода (Н₂О) и соль (NaCl). Именно они способны существовать вне данного раствора в качестве индивидуальных соединений.

Любую гетерогенную систему характеризуют следующие параметры: давление (р), температура (Т), число компонентов (К) и число фаз (). Указанные параметры связаны между собой уравнением, которое было выведено американским физиком-теоретиком Д.У. Гиббсом и названо правилом фаз Гиббса:

f = К   + 2,

где f – число степеней свободы; переменные параметры (р и Т) учитываются цифрой 2.

Число степеней свободы f указывает количество переменных, изменение которых не приведет к изменению числа фаз системы. Например, для жидкой воды число степеней свободы:

f = 1  1 + 2 =2.

В известных пределах можно произвольно менять два параметра – давление р и температуру Т – при сохранении одной фазы – жидкой воды.

В случае гетерогенной системы, например жидкость – пар, ситуация меняется. Для такой системы число степеней свободы:

f = 1  2+ 2 =1.

Можно произвольно изменять только один параметр либо температуру, либо давление без изменения числа фаз. Произвольное изменение температуры исключает произвольное изменение давления. Оно должно изменяться соответственно изменению температуры так, чтобы не изменилось число фаз системы.