Фазалық тепе-теңдіктің негізгі түсініктер

Жүйенің фазалық күйінің негізгі түсініктері болып: фаза, компонент және еркіндік дәрежесі табылады.

Фаза деп құрамы мен физикалық қасиеттері бірдей және жүйенің басқа бөліктерінен көрінетін беттік бөлімдермен бөлінген гетерогенді жүйенің гомогенді бөліктерінің жиынтығын айтады. Мысалы, суда жүзіп жүрген барлық мұздар бір фазаны, ал сұйық су – басқа фазаны құрайды.

Гомогенді жүйе – бұл барлық көлем бойынша физико-химиялық қасиеттері бірдей жүйе (мысалы: бөлмедегі ауа, стакандағы су, шәй).

Гетерогенді жүйе – бұл физико-химиялық қасиеттері әртүрлі және ішінде көрінетін бөліну шекаралары бар жүйе (мысалы: артық қант тұнбасы бар стакандағы тәтті шәй, металлургиялық пеш ваннасындағы шлак және металл балқымалары).

Жүйенің құрамына кіретін және жүйеден бөлініп шығатын және өз бетінше бола алатын жеке заттарды жүйенің құраушы бөлігі немесе құраушы заттар деп атайды. Компонент деп зерттелетін жүйенің барлық фазаларын жаңадан өндіру үшін қажетті және жеткілікті жүйенің құраушы бөліктерінің ең аз саны.

Бұл жағдайда компоненттер саны (К) жүйенің әрбір фазасы түзілуі мүмкін химиялық заттардың (Х) ең аз саны мен осы заттардың концентрациясын байланыстыратын теңдеу санынының (И) айырымына тең.

(4)

Мысалы, үш заттан құралған: СаСО3, СаО және СО2 жүйені алайық. Осы заттардың бастапқы концентрациясы еркін алынсын. Осындай жүйеде белгілі температурада заттар арасында барысында тепе-теңдік орнатылатын келесідей реакция жүруі мүмкін:

БР РӨ

қ қ газ

мұндағы: БР – бастапқы реагенттер

РӨ - реакция өнімдері

Бұл жүйедегі компоненттер саны К= 3 – 1 = 2, мұндағы 3 – құраушы заттар саны; 1 – оларды байланыстыратын теңдеу саны.

Үш заттардан құралған және олардың реакция жүретін жүйені қарастырайық:

БР РӨ

газ газ газ

Барлық үш заттың бастапқы концекнтрациялары еркін алынған десек. Онда жүйедегі компоненттер саны мынаған тең:

К = 3 – 2 = 1

Жүйенің күйі күй параметрлерімен сипатталады. Параметрлер (факторлар немесе аргументтер) деп жүйенің күйін сипаттайтын шамаларды айтады. Параметрлер интенсивті және экстенсивті болып бөлінеді.

Интенсивті параметрлер – бұлар массаға тәуелсіз және жүйеде теңесетін параметрлер (мысалы: температура, қысым, концентрация).

Экстенсивті параметрлер – бұлар массаға пропорционал және жүйеде қосылатын параметрлер (мысалы: масса, көлем, энтропия).

Фазалық тепе-теңдікті ығыстырмай еркін өзгертуге болатын жүйенің параметрлерін жүйенің еркіндік дәрежесі деп атайды.

Фазалық айналулар деп барысында зат құрылысының агрегаттық немесе құрылымдық өзгерістері жүретін үдерістерді айтады.

Фазалық тепе-теңдік деп фазаның санын және табиғатын өзгертуге болмайтын тепе-теңдік күйді айтады.

Гиббстің фазалар ережесі

Фазалық тепе-теңдіктің негізгі заңы болып Гиббстің Фазалар ережесі табылады. Осы заңды шығару үшін К компоненттерінен тұратын және әрбір компонент Ф фазаларда орналасатын еркін жүйе қарастырылады. Қарастырылып отырған жүйедегі фазалық тепе-теңдік еркін дәрежесінің санымен сипатталады.

Жүйенің еркін дәреже саны жүйені сипаттайтын параметр санының және оларды байланыстыратын теңдеу санының арасындағы айырмасы арқылы анықталады:

С = П – И (5)

Зерттелетін жүйені сипаттайтын параметр санын есептеу үшін жүйенің күй теңдеуін қарастырамыз:

f (P,V,T,ni) = 0 (6)

Көп компонентті (К – компонентті) және көп фазалы (Ф – фазалы) жүйеде компоненттердің концентрациясын қолданған ыңғайлы:

Ci = nk / V (7)

осы кезде күй теңдеуі мынадай түрге келеді:

f (P,T,Сi) = 0 (8)

Параметр санын есептеу үшін (8) теңдеу арқылы зерттелетін жүйенің жалпы параметр санын анықтаймыз,мұндағы Р – қысым және Т – температура,жүйені толық сипаттайды және интенсивті параметр болып табылады:

Пинт. = 2 {P,T} (9)

Әрі қарай әрбір фазадағы әрбір компоненттің тәуелсіз концентрация санын анықтау керек,яғни интенсивті параметрлер санын.

Б ірінші фазада:С’1, С’2, С’3 .... С’к (К – 1) концентрация

Екінші фазада: С''1, С''2, С''3 .... С''к (К – 1)

..........................................................

Ф фазада : Сф1, Сф2, Сф3 .... Сфк Пэкс = (К -1) * ф => Ci –концентрация (10)

Сонда жалпы параметрлер саны былай анықталады: Пжал = Пинт + Пэкс

Пжал = (К-1)Ф + 2{Р,Т} (11)

Қарастырылып отырған жүйедегі фазалық тепе-теңдікті сипаттайтын және берілген параметрлерді байланыстыратын теңдеу санын анықтауға көшеміз.

Термодинамика заңдарына сәйкес гетерогендікөп компонентті жүйедегі тепе-теңдік химиялық потенциалдардың теңдігімен сипатталады:

μ 1= μ 2=… μ i (12)

Зерттелген жүйе үшін:

Бірінші компонент үшін => μ’1= μ ”2=… μ ф1 (Ф-1) теңдеу

Екінші компонент үшін => μ’2= μ ”2=… μ ф2 (Ф-1)

.............................................................................

i-ші компонент үшін => μ’к= μ ”к=… μ фк (Ф-1)

(Ф-1)К=>И–теңдеу (13)

(11) және (13) теңдеу белгілерін (5) теңдеуге қоямыз:

С=(К-1)Ф+2–(Ф-1)*К=КФ-Ф+2-КФ+К=К-Ф+2

яғни, С=К-Ф+{Р,Т} (14)

(14) теңдеу Гиббстің Фазалар ережесінің математикалық өрнегі болып табылады.Фазалар ережесі былай тұжырымдалады: Көп фазалы жүйедегі еркін дәреже саны жүйенің компоненттер санының және компоненттер орналасқан фазалар саны айырмасы және 2 интенсивті параметрді – қысым және t-ра қосу арқылы анықталады.

Газдан сұйық тұнатын және сұйықтан қатты фаза тұнатын үдерісті конденсация үдерісі деп атаймыз.

Конденсацияланған фазалар деп сұйық немесе қатты күйде келтірілген жүйенің фазасын айтады.

Қысымы сыртқы фактор болып табылатын конденсацияланған жүйе үшін Гиббстің Фазалар ережесі: Конденсацияланған көп фазалы жүйелерде еркін дәреже саны жүйенің компоненттер санының және компоненттер орналасқан фазалар саны айырмасы және 1 интенсивті параметрді – температура қосу арқылы анықталады:

Скон=К-Ф+1{Т} (15)