2. Фазовые переходы. Правило фаз Гиббса

Фазы– это различные формы одного и того же вещества, отличающиеся по своим физическим свойствам и разделенные поверхностями раздела.

Фазы и агрегатные состояния вещества (твердое, жидкое и газообразное) не тождественны. Понятие фазы шире, чем агрегатное состояние: вещество в одном агрегатном состоянии может находиться в разных фазах. Так, например, углерод в твердом агрегатном состоянии может иметь две кристаллические модификации: алмаз и графит, являющиеся различными твердыми фазами углерода.

Фазы способны к взаимным переходам, называемых фазовыми переходами(превращениями).

Системы, в которых происходят фазовые превращения, сопровождающиеся перераспределением массы между фазами, относятся к сложным системам. Состояние такой сложной термодеформационной системы определяется какими-либо двумятермодинамическими параметрами (например,PиT,PиV,TиS) и концентрациями фаз.

Число независимых термодинамических параметров состояния С-компонентной Р-фазной сложной термодеформационной системы определяется по правилу фаз Гиббса:

(1.3)

Здесь n– число термодинамических параметров состояния (из двух), которое может быть произвольно изменено (в определенных пределах) без изменения количества и вида фаз.

Так как по физическому смыслу n≥0, то

Последнее уравнение означает, что для сложной термодеформационной системы число фаз при их равновесном сосуществовании не может превышать число компонентов системы более чем на две единицы.

Фазовые переходы подразделяются на 2 рода. При фазовых переходах I-го рода скачком изменяются удельный объемVи удельная энтропияS:

Так как ΔS≠ 0, то при фазовых переходахI-го рода теплота выделяется или поглощается. Эта теплота называется теплотой фазового перехода.

Примерами фазовых переходов I-го рода являются все агрегатные превращения: испарение – конденсация, плавление – отвердевание (кристаллизация), сублимация – десублимация, - а также переходы твердых веществ из одной кристаллической модификации в другую.

При фазовых переходах II–го рода скачком изменяются: теплоемкость, коэффициент теплового расширения, коэффициент изотермической сжимаемости.

Примерами фазовых переходов II–го рода являются переход гелияIв гелийII, металла из нормального в сверхпроводящее состояние.

2. Фазовые переходы в однокомпонентных системах

К однокомпонентным системам относятся все чистые вещества. Максимальное количество фаз у таких систем по уравнению (1.3) не может превышать трех фаз. Рассмотрим последовательно все три возможных варианта.

1. Однофазная однокомпонентная система

Для такой системы С = 1, Р = 1 и по правилу фаз Гиббса (уравнение 1.2):

Это означает, что в такой системедватермодинамических параметра, например Р и Т, могут изменяться произвольно в пределах физического существования данной фазы, но фазовое состояние системы при этом не изменится.