21. Система. Фаза. Компонент. Параметры системы. Правило фаз Гиббса.

Система – это тело или группа тел, находящихся во взаимодействии, которые мысленно выделены из окружающей среды. Различают гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные) системы. В первых из них нет поверхностей раздела, отделяющих друг от друга части системы, различающиеся по свойствам (примеры: смесь газов, раствор и т.д.); во-вторых – есть такие поверхности (примеры: раствор с осадком, вода со льдом и другие).

У изолированных систем нет обмена энергией и веществом с окружающей средой; у закрытых систем нет только массообмена; у открытых систем есть и энерго, и массообмен с окружающей средой.

Фаза – совокупность всех гомогенных частей системы, одинаковых по составу и по всем химическим и физическим свойствам, не зависящим от количества вещества, и отграниченных друг от друга поверхностями раздела, на которых все свойства фазы резко, скачком, меняются.

Гомогенные системы – однофазны, гетерогенные системы – многофазны.

Параметры – величины, определяющие состояние системы. Интенсивные параметры не зависят от массы или числа частиц в системе (давление, температура и другие), экстенсивные – зависят (объем, энергия и другие).

Компоненты — независимые составляющие вещества системы, то есть индивидуальные химические вещества, которые необходимы и достаточны для составления данной термодинамической системы, допускают выделение из системы и независимое существование вне её^. Изменения масс компонентов выражают все возможные изменения в химическом составе системы, а масса (количество вещества, число частиц) каждого вещества, выбранного в качестве компонента, не зависит от масс (количеств вещества, числа частиц) других компонентов.

Основным законом фазового равновесия является правило фаз Гиббса. Оно представляет собой математическое выражение условий равновесия системы, то есть показывает количественную зависимость между числом степеней свободы системы (С), числом независимых компонентов (К) и числом фаз (Ф).

Если на равновесие в системе влияет n внешних факторов, то правило фаз Гиббса запишется следующим образом: С  К Ф  n (1)

Из уравнения (1) следует, что число степеней свободы (С) возрастает с увеличением числа независимых компонентов (К) и уменьшается при росте числа фаз (Ф). При С = 0 в равновесии находится наибольшее число фаз. В общем случае, число фаз не может быть больше К + n (при этом С = 0):

Ф  К  n (2)

Например, для однокомпонентной (К = 1) системы при изменении двух внешних факторов температуры и давления (n = 2), максимальное количество фаз равно трем (твердая, жидкая и газообразная).

Правило фаз Гиббса для однокомпонентной системы:

в равновесной термодинамической системе, на которую из внешних факторов оказывают влияние только температура и давление, число термодинамических степеней свободы равно числу компонентов минус число фаз плюс два. С  К Ф  2 (3) 6

Для двухкомпонентной системы (К = 2) диаграммы рассматривают без учета газовой фазы, то есть считают, что р = const, а изменяющимся внешним фактором считают только температуру (n=1). Тогда правило фаз Гиббса запишется следующим образом: С  2Ф 1 3Ф (4)

Правилу фаз Гиббса не подчиняются коллоидные системы, в которых дисперсная фаза микроскопических размеров. Правило фаз не применимо к неравновесным метастабильным состояниям (переохлажденная вода, перегретый пар и т.д.).