Фазовые равновесия однокомпонентных систем

Испарение, плавление, сублимация(возгонка)  это примеры изменений состояния вещества, не сопровождающиеся изменением химического состава.

Фаза вещества  это состояние материи, однородной по химическому составу и физическим свойствам. Бывают твердая, жидкая, газообразная фаза. Твердые фазы для одного и того же вещества, могут быть разными, например, аллотропные модификации фосфора (белый и черный фосфор).

Фазовый переход  это самопроизвольное превращение одной фазы в другую, происходящее при некоторой, определенной для данного давления температуре.

Температура фазового перехода  эта та температура, при которой две фазы находятся в равновесии, т.е. энергия Гиббса минимальна (при данном давлении), а ее изменение равно нулю.

Фазовая диаграмма − это графический образ в координатах «давление−температура», наглядно показывающий области температур и давлений, в которых термодинамически устойчивы разные фазы данного вещества.

Фазовые границы  это линии, разделяющие эти области. Любая точка на этих линиях (фазовых границах) относится одновременно к обеим фазовым областям, т.е. в ней находятся в равновесии две фазы. Это равновесие наблюдается при соответствующих значениях давления и температуры.

Рассмотрим подробнее, что показывают фазовые границы.

Фазовая граница, разделяющая область твердого и область жидкого состояния вещества, показывает зависимость температуры плавления вещества от давления.

Температурой плавления называется температура, которая при данном давлении отвечает состоянию равновесия между жидкой и твердой фазами вещества. Вещество плавится при той же температуре, что и затвердевает, следовательно, температура плавления равна температуре кристаллизации (замерзания). Если давление равно 1 атм, то получим нормальную температуру плавления (замерзания).

На фазовой границе между областью стабильного существования жидкости и областью стабильного существования газа в равновесии находятся жидкость и газ. Но газообразная фаза некоторого чистого вещества, находящаяся в равновесии с этим веществом в жидком состоянии (или твердом состоянии), называется насыщенным паром вещества. Давление пара, равновесного с жидкостью, называется давлением насыщенного пара вещества. Следовательно, фазовая граница жидкостьпар на фазовой диаграмме показывает, как меняется давление насыщенного пара жидкого вещества в зависимости от температуры.

Аналогично, линия фазового равновесия твердое вещество  пар показывает, как влияет температура на величину давления насыщенного пара при сублимации.

При нагревании жидкости в открытом сосуде, происходит ее испарение с поверхности. Когда будет достигнута температура, при которой давление насыщенного пара станет равно внешнему давлению, процесс испарения охватит весь объем жидкости, и пар начнет распространяться во внешнюю среду. Процесс свободного испарения в объеме жидкости называется испарением.

Температура, при которой давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению, называется температурой кипения при данном давлении. Если внешнее давление равно 1 атм, то температура кипения называется нормальной температурой кипения.

При некотором наборе термодинамических переменных в равновесии одновременно могут находиться три фазы: жидкая + твердая + пар или жидкая + твердая (1 модификация) + твердая (2 модификация). На диаграмме состояния этому явлению соответствует тройная точка, в которой пересекаются три фазовых границы. Как будет показано далее, на положение тройной точки повлиять нельзя, она реализуется при единственных, строго определенных значениях давления и температуры, характерных для данного вещества.

Если жидкость нагревать в закрытом сосуде, то будут происходить иные явления. По мере увеличения температуры давления пара будет расти, а, следовательно, будет расти и его плотность массы. Одновременно плотность массы жидкости будет уменьшаться из-за ее расширения. В какой-то момент плотности массы жидкости и пара станут одинаковыми, и граница раздела двух фаз исчезнет. Температура, при которой наблюдается это явление, называется критической температурой данного вещества, а давление пара, соответствующее критической температуре  критическим давлением. При температуре, выше критической не существует отдельно фазы жидкость и фазы пар (и не существует фазовой границы жидкостьпар). В закрытом сосуде при температуре выше критической существует единственная фаза вещества, называемая сверхкритическим флюидом. Она занимает весь объем замкнутого сосуда.

Принято газообразную фазу, находящуюся выше критической температуры в открытом сосуде, называть газом, а находящуюся ниже критической температуры паром. Можно также отметить, что при температуре выше критической, газ ни при каких давлениях нельзя перевести в жидкую фазу.

Условия фазового равновесия.

 термическое равновесие