Правило отрезков

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз (поэтому состав жидкости изменяется), и количество каждой фазы (при  кристаллизации количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается). В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обей фаз и их концентрацию. Для этого служит так называемое правило рычага, или правило отрезков,

В точке а, показывающей состояние сплава К при температуре t1 , сплав состоит из кристаллов В и жидкости. Выше точки l сплав находится в однофазном состоянии, и концентрация компонентов в этой фазе (т. е. в жидкости) определялась проекцией точки l. При охлаждении из сплава выделяются кристаллы В и состав жидкости изменяется в сторону увеличения в ней компонента Α.Π температуре t1концентрация компонента Вв жидкости определяет проекцией точки b;это максимальное количество компонента B, которое может содержать жидкость при t1, По достижении эвтектической температуры жидкость принимает эвтектическую концентрацию. Следовательно, при охлаждении сплава К концентраци жидкости меняется по кривой lС. Выделяющиеся кристаллы В имеют постоянный состав — это чистый компонент В, концентрация которого лежит на вертикальной оси ВВ.

Первое положение правила отрезков формулируется следующим образом.

Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

Следовательно, для сплава К при температуре t1 составы обеих фаз определятся проекциями точек бис, так как эти точки находятся на пересечении горизонтальной линии  проходящей через точку а, с линиями диаграммы.

Количество этих фаз также можно определить. Для определения количества каждой фазы (второе положение правила отрезков) предположим, что сплав К находится при температуре t1

Если точка а определяет состояние сплава, точка b— состав жидкой фазы, а точка с — состав твердой фазы, то отрезок be - определяет все количество сплава, отрезок ас — количество жидкости и отрезок bа — количество кристаллов.

Второе положение  правила отрезков  формулируется так.

Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны   количествам   этих   фаз.

Правило отрезков в двойных диаграммах состояния можно применить только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее концентрацию.

6

Диаграмма состояния (фазовая диаграмма), графическое изображение всех возможных состояний термодинамической системы в пространстве основных параметров состояния - температуры Т, давления р и состава х (обычно выражаемого молярными или массовыми долями компонентов). Для сложных систем, состоящих из многих фаз и компонентов, построение диаграмма состояния является единственным методом, позволяющим на практике установить, сколько фаз и какие конкретно фазы образуют систему при данных значениях параметров состояния. Каждое реально существующее состояние системы на диаграмме состояния изображается так называемой фигуративной точкой; областям существования одной фазы отвечают участки пространства (на трехмерных диаграммах состояния) или плоскости (на двухмерных диаграммах состояния), условиям сосуществования фаз соответствуют поверхности или линии; изменение фазового состояния системы рассматривается как движение фигуративной точки на диаграмме состояния. Анализ относительного расположения объемных участков, поверхностей, линий и точек, которые образуют диаграмму состояния, позволяет однозначно и наглядно определять условия фазового равновесия, появления в системе новых фаз и химических соединений, образования и распада жидких и твердых растворов и т. п. Диаграммы состояния используют в материаловедении, металлургии, нефтепереработке, химической технологии (в частности, при разработке методов разделения веществ), производствах электронной техники и микроэлектроники и т. п. С ее помощью определяют направленность процессов, связанных с фазовыми переходами, осуществляют выбор режимов термообработки, отыскивают оптимальные составы сплавов и т. п.

Теоретическими основами построения и интерпретации диаграмм состояния равновесных систем являются: 1) условие фазового равновесия, согласно которому химические потенциалы μ_i каждого i-го компонента во всех фазах при равновесии равны; 2) условие химического равновесия, согласно которому сумма химических потенциалов вступающих в реакцию веществ при равновесии равна аналогичной сумме для продуктов реакции; 3) фаз правило Гиббса, согласно которому число компонентов К, число фаз Ф и вариантность системы v (т.е. число независимых параметров состояния, которые можно в определенных пределах изменять без изменения числа и природы фаз) связаны соотношением: v = К — Ф + 2. Цифра 2 означает, что учитываются только два интенсивных параметра состояния - температура и давление. Если учитываются и другие параметры, например, напряженности электромагнитного или гравитационного полей, вариантность системы соответственно увеличивается. Различают нонвариантные (v = 0), моновариантные (v = 1), дивариантные (v = 2) и т. д. состояния (равновесия); 4) правило о соприкасающихся пространствах состояния, согласно которому если два разных пространства состояния (поля в случае плоской диаграммы) соприкасаются по линии, то они различаются между собой на одну фазу, если поля соприкасаются в точке, то состояния различаются на две фазы.

Для построения диаграммы состояния расчетным путем необходимо знать зависимости химических потенциалов всех компонентов системы от Т, р и состава фаз. Приближенные методы расчета с применением ЭВМ интенсивно развиваются, в частности, для многокомпонентных сплавов. Однако пока диаграммы состояния строят на основе экспериментальных данных, получаемых главным образом термическим анализом, который позволяет определять зависимости температур плавления или кристаллизации от состава, а также изучением равновесий жидкость - пар и жидкость - жидкость. Широко используют рентгеновский фазовый анализ, данные о микроструктуре затвердевших расплавов, измерения физических свойств фаз (см. Диаграмма состав-свойство). Изучение диаграмм состояния составляет основное содержание физико-химического анализа.

Однокомпонентные системы

Однокомпонентной системой является любое простое вещество или химическое соединение, обладающее строго определенным составом в газообразном, жидком и твердом состояниях. Диаграмму состояния обычно строят на плоскости в координатах T-p (рис. 1). Фазовые поля (области существования) пара V, жидкости L и твердой фазы S дивариантны, т.е. допускают одновременное изменение двух параметров состояния - Т и р.