5. Двухкомпонентные системы.

Двухкомпонентными называются системы, образованные двумя компонентами, которые могут быть как простыми веществами, так и химическими соединениями. Соотношение компонентов способно значительно изменять свойства системы.

Исходя из принципов построения уравнения состояния для двухкомпонентной системы справедливо уравнение:

, (6.3)

где С₁, С₂ - концентрации первого и второго компонентов.

Но С₁ + С₂ = const и если р = const, то (6.3) упрощается:

. (6.4)

Таким образом, диаграмма состояния двухкомпонентной системы строится в координатах Т - С. Если в однокомпонентной системе энергия Гиббса фазы изменяется только при изменении Р и Т в соответствии с уравнением (4.67) в двухкомпонентной системе энергия Гиббса определяется не только значениями Р и Т, но и составом фаз, поэтому

, (6.5)

где - химический потенциал i-го компонента;

n_i - количество i-го компонента в фазе.

Уравнение (6.5) - главное уравнение химической термодинамики, основа применения

термодинамики в химии и теории фазовых переходов. Системы, поведение которых описывается на основе (6.5) называются открытыми (незамкнутыми).

Любая точка на диаграмме двухкомпонентной системы - носитель определенной информации (рис. 6.3).

Так фигуративная точка (а) указывает на то, что сплав состава (%В, %А) находится при температуре Т_А. Сплавом называют твердые или жидкие системы, образованные, главным образом, сплавлением двух или более металлов, а также металлов с различными неметаллами. На диаграмму двухкомпонентной системы наносят только точки, характеризующие процессы плавления или затвердевания, фазовые переходы и т.п. Линии, соединяющие эти точки, носят определенные названия. Линия, являющая собой совокупность точек начала кристаллизации всех сплавов системы, называется линией ликвидус. Линия, представляющая собой совокупность точек конца кристаллизации, носит название линии солидус.

5.1. Системы с неограниченной растворимостью

Рис. 6.3. Система координат для построения диаграмм двухкомпонентных систем.

компонентов в твердом и жидком состоянии.

Диаграммы этих систем бывают с точками экстремумов на линиях диаграммы (точки минимума и максимума) и без таковых. Наиболее часто в металлических системах встречаются диаграммы без максимумов и минимумов (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Диаграмма состояния системы с неограниченной растворимостью компонентов (с образованием непрерывного ряда твердых растворов) (а) и кривая охлаждения сплава x₁ (б).

Диаграмма состоит из трех областей: жидкий раствор (L), твердый раствор () и область двухфазного равновесия (L +).

Сплав состава x₁ при Т_ИСХ представляет собой однородную жидкость, ненасыщенную относительно твердой фазы. Для этой температуры правило фаз дает:

с = k - f + 1 = 2 - 1 + 1 = 2,

т. е. Т и С - два независимых параметра состояния.

При температуре точки 1 начинается процесс кристаллизации сплава: жидкость насыщается относительно кристаллов - твердого раствора состава точки 1’, которые из нее и выделяются. Линия 1 - 1’, соединяющая составы равновесных фаз, называетсяконодой.

Число степеней свободы системы для точки 1:

с = k - f + 1 = 2 - 2 + 1 = 1,

т. е. Т = f (C).

Действительно, уравнение Т = f (C) это уравнение линии ликвидус.

Температурный интервал (Т₁ - Т₂) - интервал кристаллизации. Процесс кристаллизации сопровождается изменением состава равновесных фаз и может быть описан уравнением вида:

.(6.6)

Уравнение (6.6) - уравнение процесса первичной кристаллизации. Для точки 2 число степеней свободы составит:

с = k - f + 1 = 2 - 2 + 1 = 1,

т. е. Т = f (C) и определяет положение линии солидус.

Таким образом, состав первых кристаллов определяется проекцией точки 1’ на ось концентраций, а последних капель жидкости - проекцией точки 2’.

Относительные массовые доли фаз (О. М. Д.) кристаллизующегося сплава при температуре точки О определяется из соотношений (правило рычага):

, . (6.7)

Изменение температуры сплава x₁ в процессе его охлаждения изображается соответствующей кривой охлаждения (рис. 6.4), построенной в координатах “температура - время”.