Реферат поняття про компонентах і фазах
Компоненти - індивідуальні речовини, які, будучи взяті в меншій кількості, достатні для побудови всієї системи, причому передбачається, що система знаходиться в рівноважному стані. Компоненти можна визначити як незалежні складові частини системи.
Приклад: система вода - сіль. Обидві складові частини є компонентами, т. К. Їх кількості в системі можна змінювати незалежно одне від іншого і обидві вони потрібні для побудови системи.
Число компонентів в системі може бути дорівнює або менше числа складових частин.
Якщо в системі хімічні реакції йти не можуть, то число компонентів дорівнює числу складових частин (під складовими частинами системи маються на увазі ті що утворюють її речовини, які здатні до існування в ізольованому вигляді). Така система називається фізичної, або системою I класу.
Якщо ж в системі можуть йти хімічні перетворення, то число компонентів дорівнює числу складових частин, зменшеному на число незалежних хімічних реакцій, які можуть йти в ній. Така система називається хімічної, або системою II класу.
Таким чином - система вода - сіль - фізична, якщо у солі немає кристаллогидрата. Прикладом хімічної системи може служити система KNO3 - NaCl - H2O. В результаті обмінної реакції
KNO3 + NaCl = KCl + NaNO3
утворюються дві інші солі. Число складових частин дорівнюватиме 5. Однак число компонентів дорівнює 4.
За кількістю компонентів системи діляться на однокомпонентні, двокомпонентні (бінарні), трикомпонентні (потрійні) і т. Д.
Фаза - сукупність однорідних систем, що знаходяться між собою в термодинамічній рівновазі. Рівноважна гетерогенна система складається з декількох (мінімум двох) фаз. Якщо в системі є декілька однорідних частин, тотожних за складом і термодинамічним властивостям, то всі вони утворюють одну фазу.
якщо Н2О знаходиться в рівновазі з парою, то в цій системі є дві фази: вода і пар;
якщо система складається з насиченого розчину солі, кристалів солі і пара, то в системі існує 3 фази.
Рівновага в гетерогенній системі
Система знаходиться в механічному і тепловому рівновазі, якщо Р і Т у всіх фазах однакові. Однак в системі при цих умовах можливий перехід речовини з однієї фази в іншу. Ознакою того, що система також знаходиться в рівновазі, тобто. Е. Не відбувається переходу будь-якого компонента з однієї фази в іншу, є рівність питомих хімічних потенціалів даного компонента в розглянутих фазах.
Одним з найважливіших законів гетерогенного рівноваги є правило фаз. Воно оперує з основними поняттями про компоненті, фазі і числі ступенів свободи. Два перших поняття визначені вище.
Під термодинамічними ступенями свободи, або просто під ступенями свободи, маються на увазі незалежні параметри системи, що знаходяться в термодинамічній рівновазі, які можуть приймати довільні значення в певному інтервалі, причому число фаз не змінюється. Іншими словами, ступенями свободи є ті параметри системи, які грають роль незалежних змінних. Всі інші параметри будуть їх функціями.
Число ступенів свободи (варіантність системи) - це число, яке вказує, скільком параметрами, які характеризують стан рівноважної системи, можна давати довільні значення без того, щоб число фаз в системі змінилося.
Правило фаз: В ізольованій рівноважної системі число фаз плюс число ступенів свободи дорівнює числу компонентів плюс 2
т. к. умовою рівноваги є рівність хімічних потенціалів, а значення їх не залежить від кількості фази, то і рівновагу в системі не залежить від кількості фази.
Приклад: В систему, що складається з 100 г льоду і 1 кг води, можна додати (або відняти) ще льоду або води, взятої, звичайно, в тому ж стані (Т, Р), в якому знаходився лід.
Якщо якийсь параметр, що характеризує систему залишається постійним, то число змінних зменшиться на одиницю і правило фаз запишеться у вигляді:
Число ступеня свободи зменшиться в цьому випадку на одиницю. У такому вигляді правило фаз застосовується при вивченні діаграми стану систем, утворених практично нелетучими речовинами. Вплив тиску на ці системи невелике і його приймають за постійну величину.
Приклад: діаграма плавкості нелетких металів при атмосферному тиску.
Класифікація систем
Нонваріантние системи: число фаз більше числа компонентів на 2, отже число ступенів свободи дорівнює 0 (зміна хоча б одного параметра призводить до зникнення принаймні однієї фази).
Моноваріантние системи: число фаз більше числа компонентів на 1, отже число ступенів свободи дорівнює 1 (тільки один параметр може бути обраний довільно без зміни в системі числа фаз).
Діваріантние системи: число фаз дорівнює числу компонентів, отже число ступенів свободи дорівнює 2 (два параметра можуть бути обрані довільно без зміни числа фаз системи).
Тріваріантная: число фаз менше числа компонентів на одиницю. Число ступенів свободи дорівнює 3.
При зображенні діаграми стану нонваріантному рівноваги відповідає точка (всі координати - певні та постійні величини); моноваріантному - відповідає лінія (одна координата може бути обрана довільно); біваріантному - ділянку площею або поверхні (дві координати можуть бути довільно обрані) і .т. д.
Якщо стан системи визначається не тільки температурою і тиском, а й концентрацією, то правило фаз запишеться у вигляді:
У цьому випадку число ступенів свободи завжди буде більше на одиницю.
Приклад: додатковим параметром може бути величина поверхні частинок, так, наприклад, окремі частинки, з яких складається одна фаза, настільки дрібні, що не можна знехтувати значенням поверхневої енергії.
Діаграми стану (однокомпонентні системи)
Для опису властивостей систем широко використовують діаграми стану. На осях координат відкладають значення температури і тиску, що характеризують умови існування, для вираження складу системи використовують одну або дві координати. Лініями (поверхнями) на таких діаграмах поділяють області існування окремих фаз.
Рівняння Клаузіуса - Клайнерона
До всіх моноваріантним равновесиям можна застосувати відому з термодинаміки формулу Клаузіуса-Клайнерона:
q - прихована теплота переходу однієї фази в іншу, що знаходиться з нею в рівновазі;
Т - абсолютна температура, при якій знаходяться ці фази;
V - зміна обсягу при переході від однієї фази до іншої.
q - завжди позитивна (поглинена теплота).
Друга форма цього рівняння:
має більш обмежене застосування, ніж перше, т. к. вона відноситься до моноваріантним равновесиям лише таких систем, в яких одна фаза - газоподібна.
Список літератури
Петрова О.М. Поняття про компоненти і фазах. Гетерогенні рівноваги.