2. Однокомпонентные системы
При К = 1 соотношение (3.) принимает вид: С = З – Ф. Т.к. число степеней свободы не может быть отрицательным, то в этом случае число фаз находящихся между собой в равновесии, не м.б. больше трех и , следовательно, здесь можно иметь только три типа систем: однофазные, двухфазные и трехфазные.
Для однофазных систем С = 2 , для двухфазных С = 1 и для трехфазных С = 0.
Диаграмма, выражающая зависимость состояния системы (и фазовых равновесий в ней) от внешних условий или от состава системы, называется диаграммой состояния или фазовой диаграммой.
Такие диаграммы строятся по соответствующим опытным данным и широко применяются для характеристики различных систем.
Д иаграмма состояния воды
Рис. 2.1. Диаграмма состояния воды в области невысоких давлений.
Кривая ОА представляет зависимость давления насыщенного пара от t.
ОВ - зависимость температур замерзания воды от внешнего давления.
ОС - зависимость давления насыщенного пара жидкой воды от t.
ОД - продолжение кривой ОС. Она определяет давление насыщенного пара над переохлажденной водой. Такое состояние неустойчиво и переохлажденная вода всегда обладает большим Рпара, чем лед при тех же условиях.
Эти три кривые разделяют диаграмму на поля, каждое из которых отвечает одному из агрегатных состояний - пару, жидкости, льду.
Сами кривые отвечают равновесию между соответствующими двумя фазами:
ОС – жидкость - пар
ОА – лед - пар
ОВ – лед - жидкость
Точка О характеризует условия равновесия одновременно между всеми тремя фазами - паром, льдом и жидкой водой.
Однофазные состояния воды обладают двумя степенями свободы. В этом случае мы можем изменять в определенных пределах как t , так и Р (поля диаграммы) каждое независимо от изменений другого, что не вызывает изменения числа или вида фаз системы.
Двухфазные состояния воды представляются линиями, которые ограничивают соответствующие поля диаграммы. Число степеней свободы в этих случаях уменьшается до единицы (одновариантные системы). Не изменяя числа или вида фаз, можно изменять только t или Р. При этом с изменением одного из этих параметров другой тоже не сохраняет прежнего значения, а изменяется в соответствии с изменением первого.
Точка О, называемая тройной точкой, отвечает равновесию одновременно между всеми тремя фазами. Число степеней свободы в этом случае равно нулю (система безвариантна). Существует только одно сочетание t и Р, при котором рассматриваемые три фазы могут находится в равновесии.
2.2. Диаграмма состояния серы.
Сера может существовать в виде двух твердых модификаций - ромбической S(ромб) и моноклинной S(мон) , жидкости S(ж) и газа S(г).
Сплошные линии аb, bс, сk, bd, сd и dе изображают на диаграмме устойчивые двухфазные равновесия:
S(ромб) ⇄ S(г) линия ab
S(мон) ⇄ S(г) линия bc
S(ж) ⇄ S(г) линия ck
S(ромб) ⇄ S(мон) линия bd
S(мон)⇄ S(ж) линия cd
S(ромб) ⇄ S(ж) линия de
Рис. 2.2. Диаграмма состояния серы.
Точки b, d, c являются тройными точками, которые изображают состояния устойчивых равновесий в трехфазной системе:
т. b Т = 368,65 К, Р = 0,496 Па
S(ромб) ⇄ S(мон) ⇄ S(г)
т.с Т = 392,45 К, Р = 3,346 Па
S(мон) ⇄ S(ж) ⇄ S(г)
т.d Т = 424,15 К, Р = 1,305 х 108 Па
S(ромб) ⇄ S(мон) ⇄ S(ж)
Пунктирные линии bо, cо и dо соответствуют на диаграмме метастабильным двухфазным равновесиям:
bо’ - S(ромб)(перегр).⇄ S(г) [пересыщенная относительно S(мон) ];
cо’ - S(ж)(переохл).⇄ S(г) [пересыщенная относительно S(мон) ];
dо’ - S(ромб)(перегр). ⇄ S(ж) [переохлажденная]
Линии bc, bd, cd и линии bо’, cо’, dо’ ограничивают области однофазной бивариантной системы:
Область bо’d - перегретой S(ромб)
Область cо’d - переохлажденной жидкой серы
Область bо’c - газообразной серы, пересыщенной относительно S(мон)
Точка О’ является тройной точкой и изображает на диаграмме неустойчивое метастабильное трехфазное равновесие:
S(ромб)(перегр.) ⇄ S(ж)(переохл.) ⇄ S(г)(пересыщенная относительно S(мон)
Жидкую серу можно переохладить до t более низкой, чем t метастабильной трехфазной системы (точка О). На диаграмме это изображено - ОО’, которой соответствует двухфазному метастабильному равновесию:
S(ж)(переохл.) ⇄ S(г)(пересыщенная относительно. S(мон) и S(ромб))
Линия bo изображает двухфазное метастабильное равновесие:
S(мон)(переохл.) ⇄ S(г)(пересыщенная относительно S(ромб))