Правило фаз гиббса — справочник студента

  • Равнове́сие фаз в термодинамике — состояние, при котором фазы в термодинамической системе находятся в состоянии теплового и механического равновесия.
  • Типы фазовых равновесий:
  • Тепловое равновесие означает, что все фазы вещества в системе имеют одинаковую температуру.

Механическое равновесие означает равенство давлений по разные стороны границы раздела соприкасающихся фаз.

Строго говоря, в реальных системах эти давления равны лишь приближенно, разность давлений создается поверхностным натяжением.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Условие равновесия фаз

Рассмотрим химически однородную систему (состоящую из частиц одного типа). Пусть в этой системе имеется граница раздела между фазами 1 и 2.

Как было указано выше, для равновесия фаз требуется равенство температур и давлений на границе раздела фаз. Известно (см.

статью Термодинамические потенциалы), что состояние термодинамического равновесия в системе с постоянными температурой и давлением соответствует точке минимума потенциала Гиббса.

Потенциал Гиббса такой системы будет равен

  • Правило фаз Гиббса - Справочник студента,

где μ1 и μ2 — химические потенциалы, а N1 и N2 — числа частиц в первой и второй фазах соответственно.

При этом сумма N = N1 + N2 (полное число частиц в системе) меняться не может, поэтому можно записать

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Эталонные стратегии развития - справочник студента

Оценим за полчаса!
  • Правило фаз Гиббса - Справочник студента.

Предположим, что ,!mu_1 
e mu_2, для определенности, . Тогда, очевидно, минимум потенциала Гиббса достигается при (все вещество перешло в первую фазу).

Таким образом, равновесие фаз возможно только в том случае, когда химические потенциалы этих фаз по разные стороны границы раздела равны:

  • .

Уравнение Клапейрона — Клаузиуса

Основная статья: Уравнение Клапейрона—Клаузиуса

Из условия равновесия фаз можно получить зависимость давления в равновесной системе от температуры. Если говорить о равновесии жидкость — пар, то под давлением понимают давление насыщенных паров, а зависимость P = P(T) называется кривой испарения.

Из условия равенства химических потенциалов следует условие равенства удельных термодинамических потенциалов:

  • ,

где , Gi — потенциал Гиббса i-й фазы, mi — её масса.

Отсюда:

  • ,

а значит,

  • Правило фаз Гиббса - Справочник студента,

где v1 и s1 — удельные объем и энтропия фаз. Отсюда следует, что

  • ,

и окончательно

  • ,

где q — удельная теплота фазового перехода (например, удельная теплота плавления или удельная теплота испарения).

Последнее уравнение называется уравнением Клапейрона — Клаузиуса.

Правило фаз Гиббса

Рассмотрим теперь систему, вообще говоря, химически неоднородную (состоящую из нескольких веществ). Пусть k — число компонентов (веществ) в системе, а n — число фаз. Условие равновесия фаз для такой системы можно записать в виде системы из k(n − 1) уравнений:

Здесь — химический потенциал для i-го компонента в j-й фазе. Он однозначно определяется давлением, температурой и концентрацией каждого компонента в фазе. Концентрации компонетнов не независимы (их сумма равна 1). Поэтому рассматриваемая система уравнений содержит неизвестных (n(k − 1) — концентрации компонентов в фазах, плюс температура и давление).

Система разрешима, вообще говоря, если число уравнений не превышает числа неизвестных (система, не удовлетворяющая этому условию, также может быть разрешима, однако это исключительный случай, с которым в физике можно не считаться). Поэтому

  • ,

отсюда

  • ,

то есть число фаз в равновесной системе может превышать число компонентов не более, чем на два.

Последнее неравенство называется правилом фаз Гиббса. В частном случае для однокомпонентной (химически однородной системы) оно превращается в условие

  • .

См. также

  • Термодинамическое равновесие
  • Потенциал Гиббса

Литература

  • Базаров И. П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991. 376 с.
  • Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1975. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 519 с.

Wikimedia Foundation. 2010.

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1104263

Фазовые равновесия. правило фаз гиббса

  • Фазой называется гомогенная часть гетерогенной системы, имеющая во всех точках одинаковые значения интенсивных параметров, которые изменяются скачком на границе раздела фаз.
  • Фазовым переходом называется переход вещества из одной фазы в другую.
  • Фазовыми равновесиями называют равновесия в гетерогенных системах, в которых имеют место только фазовые переходы и отсутствуют химические взаимодействия между компонентами.
  • При переходе из одной фазы (1) в другую фазу (2) dni молей i–ого компонента (например, при конденсации пара или кристаллизации осадка), энергия Гиббса каждой из фаз изменится на величину:
  • для фазы 1 ,
  • для фазы 2 .
  • Общее изменение энергии Гиббса равно:

Правило фаз Гиббса - Справочник студента

Если переход происходит в условиях равновесия при T, р = const, то

, и .

Этот вывод распространяется на любой компонент и на любую фазу системы. Итак, равновесию гетерогенных систем отвечает равенство химических потенциалов каждого компонента во всех фазах при T, p = const.

Если же химический потенциал некоторого вещества в одной фазе (в одном растворе) будет больше, чем в другой фазе (в другом растворе), то вещество будет самопроизвольно переходитьиз первой фазы в другую.

Рассмотрим систему, содержащую К компонентов и состоящую из Ф фаз, находящихся в равновесии между собой.

Состав каждой из фаз определяется концентрациями – 1) компонентов, а так как число всех фаз равно Ф, то состав всей системы определится Ф(К – 1) концентрациями всех компонентов.

Для полного описания состояния системы необходимы ещё температура и давление, т. е. всего Ф (К – 1) + 2 переменных.

Условием равновесия гетерогенной системы из Ф фаз и К компонентов (как отмечалось ранее) является постоянство температуры и давления, а также равенство всех химических потенциалов каждого из компонентов во всех фазах:

Правило фаз Гиббса - Справочник студента Правило фаз Гиббса - Справочник студента

  1. Здесь верхние индексы обозначают номера фаз, нижние индексы относятся к соответствующим компонентам.
  2. В вышеприведенных равенствах каждое значение m является функцией температуры, давления и концентрации всех компонентов. Например, для двухкомпонентной системы:

Следовательно, каждое равенство из (4.3) (например ) даёт уравнение, связывающее переменные системы. Эти уравнения уменьшают число независимых переменных, характеризующих систему, и называются уравнениями связей.

  • Обозначим через f число действительно независимых переменных. Тогда
  • , (4)
  • откуда
  • . (5)

Последнее соотношение было получено Дж. Гиббсом и носит название уравнения (правила фаз) Гиббса. Равновесные гетерогенные системы, состоящие из любого числа фаз и любого числа веществ, подчиняются правилу фаз Гиббса. Его можно сформулировать следующим образом:

  1. число степеней свободы равновесной термодинамической системы, на которую из внешних факторов влияют только давление и температура, равно числу компонентов системы плюс два, минус число фаз:
  2. ,
  3. где Кчисло компонентов – веществ, наименьшее число которых необходимо и достаточно для образования всех возможных фаз данной равновесной системы. Компонент является составной частью системы и может быть выделен из нее, и существовать самостоятельно;
  • fчисло степеней свободы – число независимых термодинамических параметров, определяющих состояние системы, изменение которых в определенных пределах не вызывает исчезновения одних и образование других фаз;
  • число 2 — это число внешних факторов (Р и Т), которые влияют на равновесие.
  • Перепишем уравнение (4.5) в виде
  • , (6)
  • тогда при находим, что
  • , (7)
Читайте также:  Марксистская теория - справочник студента

т.е. максимальное число фаз в гетерогенной системе при равновесии равно числу компонентов плюс два.

  1. Если р или Т = const, то правило фаз Гиббса запишется как
  2. f = К – Ф + 1. (8)
  3. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ.
  4. Можно подразделять системы по числу компонентов, степеней свободы и по числу фаз.
  5. 1). По числу компонентов ситемы классифицируют как
  6. – однокомпонентные (или одинарные);
  7. – двухкомпонентные (или двойные);

– трёхкомпонентные (или тройные) и т. д.

  • 2). По числу фаз системы классифицируют как
  • – однофазные;
  • – двухфазные;

– трёхфазные и т. д.

  1. 3). По числу степеней свободы (вариантности) системы классифицируют как
  2. – безвариантные или нонвариантные ( f = 0);
  3. – одновариантные или моновариантные ( f = 1);

– двухвариантные или бивариантные ( f = 2) и т. д.

Число компонентов определяют как наименьшее число составляющих частей системы, достаточное для образования всех её фаз.

Число компонентов не равно числу составляющих частей лишь в тех случаях, когда между ними происходят химические взаимодействия (реакции) и в системе устанавливается химическое равновесие.

В этом случае число компонентов равно числу составляющих частей системы минус число уравнений, связывающих концентрации составляющих частей.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Источник: https://zdamsam.ru/a25732.html

Фазовые равновесия. Правило фаз. Закон Гиббса

В однокомпонентных или многокомпонентных системах могут реализоваться состояния, когда в равновесии находятся несколько фаз. Такое состояние называется гетерогенным равновесием.

Гетерогенное равновесие в системе, состоящей из Ф-фаз и К-компонентов реализуется при следующих условиях:

Ф столбцов

Правило фаз Гиббса - Справочник студента

  • Т1=Т2=Т3=…=Тф
  • Р1=Р2=Р3…=Рф
  • µ11=µ12=µ13=…=µ1ф (К+2) — строки (3.2)
  • µ21=µ22=µ23=…=µ2
  • К – строк
  • µк1=µк2=µк3=…=µкф

где верхний индекс К— обозначает номер компоненты, нижний Ф — номер фазы, µкф – химический потенциал К— компонента в Ф-фазе. Представление о химическом потенциале является центральным в фазовом равновесии.

Система уравнений (3.2) состоит из (К+2) строк и Ф и столбцов. В первых двух строках записано условие, что температура каждой фазы и давление надкаждой фазой одинаковы во всей системе. В следующих К строках зафиксировано положение, что химический потенциал µi данного компонента во всех фазах одинаков.

  1. Химическим потенциалом i-того компонента называется работа, затраченная на увеличение числа частиц i-того сорта в системе на единицу при постоянстве всех остальных переменных, от которых зависит термодинамический потенциал (под частицами подразумевают атомы, молекулы).
  2. В зависимости от условий, в которых находятся фазы, для их описания применяют следующие термодинамические потенциалы:
  3. G – изобарно-изотермический потенциал (потенциал Гиббса),
  4. F – свободная энергия (энергия Гельмгольца) или изохорно-изотермный потенциал,
  5. U – внутренняя энергия системы,
  6. H – энтальпия системы (теплота плавления, кристаллизации).
  7. G = H – TS или G = PV – TS, (3.3)
  8. где S – энтропия.
  9. Химический потенциал представляет собой частную производную одного из термодинамических потенциалов по числу частиц i-того компонента в фазе:

Правило фаз Гиббса - Справочник студента

где N – число частиц в однокомпонентной фазе.

При анализе гетерогенного равновесия важно знать: сколько фаз должно находиться в равновесии, и какое число параметров системы можно изменить независимо, не изменяя числа фаз, находящихся в равновесии. Ответ на это вопрос дает закон, открытый в 1876 году Гиббсом и известный под названием «правило фаз».

В качестве параметров системы в однокомпонентных системах выступают температура (Т) и давление (Р), в многокомпонентных системах – Т, Р и концентрация компонентов в каждой фазе – Х.

В каждой фазе, состоящей из К-компонент, число переменных концентраций равно: , так как . Пример: двухкомпонентная система ХА+ ХВ=1, ХА= 1–ХВ.

Такие внешние параметры, как характеристики полей, в которых находятся фазы, при анализе физико-химических равновесий обычно не учитываются в предположении, что они остаются постоянными.

Число степеней свободы или вариантность системы – С число параметров системы, которые можно изменять, не изменяя числа фаз, находящихся в равновесии. Величина С равна числу независимых переменных, т.е.

минимальному числу переменных параметров, выбор которых однозначно устанавливает и все остальные параметры. Таким образом, величина С равна разности между общим числом переменных параметров системы и числом уравнений связи. Общее число переменных параметров в системе (3.

2): Ф (К–1)+2.

  • Вариантность системы, состоящей из К – компонентов и F – фаз, когда в качестве внешних параметров выступают только Р и Т равна:
  • С = [(К-1)Ф + 2] – [К (Ф – 1)]
  • Правило фаз (или закон Гиббса) дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз и компонентов:
  • C = K – F + 2 (3.5)

математическая запись правила фаз или закона Гиббса, где C – число степеней свободы, т.е. число внешних (температура и давление) и внутренних (концентрация) факторов, которые можно изменить без изменения числа фаз;

  1. K – число компонентов в системе;
  2. F – число фаз.
  3. В тех случаях, когда число внешних параметров уменьшается на единицу (Р=const или Т= const), правило фаз записывается следующим образом:
  4. C = K – F + 1 (3.6)
  5. В тех случаях, когда число внешних параметров равно нулю, то есть давление Р или температура Т — постоянны (Р=const и Т= const), правило фаз записывается:
  6. C = K – F (3.7)
  7. Пример: если С = 0, то любое изменение температуры вызывает изменение числа фаз; если С = 1, то возможно изменение температуры без изменения числа фаз.
  8. В жидком состоянии:
  9. F = 1 – одна фаза;
  10. К = 1 – один компонент (чистый металл);
  11. С = 1 – 1 + 1 = 1 – можно изменять температуру без изменения агрегатного состояния.
  • Степень свободы для сплава в момент кристаллизации:
  • F = 2 – две фазы (жидкость + кристаллы);
  • K = 1 – один компонент (чистый металл);
  • C = 1 – 2 + 1 = 0 – равновесие при строго определенной температуре (Тпл).

Число уравнений связи между переменными (между концентрациями компонентов в фазе) получают, исходя из требований одинаковости химического потенциала данного компонента во всех фазах системы (при равновесии), т.к. химический потенциал компонента в фазе зависит от концентрации компонента. Эта зависимость выражается уравнением:

  1. µ=µ0+ln(γХ) (3.8)
  2. где µо – химический потенциал компонента в стандартном состоянии (при нормальных условиях), γ – коэффициент активности компонента в фазе, k – постоянная Больцмана, Х – концентрация компонента в фазе.
  3. Следовательно, в условиях фазового равновесия происходит равновесное перераспределение компонентов между фазами.
  4. Рассмотрим пример: в системе, состоящей из 2-х компонент (К=2), в условиях двухфазного равновесия (Ф=2) для любого из компонентов, (например, для компонента 1) реализуется равенство:
  5. = (3.9)
  6. + kTln( ) = + kTln( ) (3.10)
  7. ln[ ] = ( – )/kT(3.11)
  8. k0 = (3.12)

где k0 = – равновесный коэффициент распределения.

В рассматриваемом случае коэффициент распределения компонента 1 между фазами 1 и 2 (например, – отношение концентрации в фазе 1 и фазе 2 компонента 1, (отношение концентраций компонента 1 в твердой и в жидкой фазе).

Таким образом, распределение компонентов (точнее распределение концентраций компонентов) между фазами характеризуется равновесным коэффициентом распределения, величины которых получают из уравнений связи типа (3.12).

В общем случае число уравнений связи для гетерогенного равновесия в многофазной системе получают из к нижних строк системы (3.2) и оно равно: К(Ф – 1).

Для анализа фазовых равновесий правило фаз применяют в виде (3.5; 3.6; 3.7) в зависимости от условий, в которых находится система.

Источник: https://cyberpedia.su/17×4642.html

6 Гетерогенные фазовые равновесия. Фазы и компоненты, степени свободы. Правило фаз Гиббса

Лекция  23

Гетерогенные  фазовые  равновесия. Фазы  и  компоненты, степени  свободы. Правило  фаз  Гиббса.

В гетерогенных системах возможны, с одной ст., переходы веществ из одной фазы в другую (агрегатные превращения, растворение), а с другой ст. — химические реакции.

Равновесию гетерогенных систем отвечает равенство химических потенциалов каждого компонента во всех фазах, а также минимальное значение одного из термодинамических потенциалов или максимальное значение энтропии всей системы при соответствующих условиях. Наиболее обычными условиями на практике являются  Р, Т = const, поэтому равновесие гетерогенных систем обычно оценивают по их изобарному потенциалу.

Общие закономерности, которым подчиняются равновесные гетерогенные системы, состоящие из любого числа фаз и любого числа веществ, устанавливаются правилом фаз Гиббса. Основные понятия : фаза, компонент, степень свободы.

Фазой  называется совокупность всех гомогенных частей системы, одинаковых во всех точках по составу и всем химическим и физическим свойствам и отграниченных от других частей некоторой видимой поверхностью раздела.

Поверхности раздела фаз образуются некоторым количеством молекул; молекулы, образующие поверхностный слой, находятся в особых условиях, вследствие чего поверхностный слой обладает свойствами, не присущими веществу, находящемуся в глубине фазы (например, избыточной внутренней энергией). Образования, составленные из небольшого числа молекул, не могут быть разделены на поверхностный слой и внутреннюю массу вещества. Поэтому к образованиям с очень малым объемом понятие «фаза» неприложимо.

Мелкие образования, в которых, однако, можно выделить поверхностный слой, являются системами с очень развитой поверхностью, и свойства таких систем очень зависят от свойств и размеров поверхностей раздела. Эти системы изучаются коллоидной химией.

Каждое вещество, которое может быть выделено из системы и существовать вне ее, называется  составляющим  веществом  системы . Пример : в водном растворе NaCl составляющие вещества — Н2О и NaCl; ионы Na+ и Cl- не причисляются к составляющим веществам, хотя и существуют в растворе в виде самостоятельных частиц.

Количество каждого из составляющих веществ, входящих в систему, в которой отсутствуют химические реакции, не зависит от количества других веществ. Состав фаз равновесной системы в этом случае определяется концентрациями всех составляющих веществ.

Если же в системе протекают химические реакции, то количества составляющих веществ, входящих в равновесную систему, зависят друг от друга, и состав фаз можно определить, зная концентрации лишь части составляющих веществ.

Составляющие вещества, концентрации которых определяют состав фаз данной равновесной системы, называются  независимыми  составляющими  веществами  или  компонентами  системы .

В качестве компонентов могут быть выбраны любые составляющие вещества, и свойства системы определяются не тем, какие составляющие вещества выбраны в качестве компонентов, а числом компонентов.

Число компонентов или совпадает с числом составляющих веществ (при отсутствии химических реакций), или меньше его.

Число компонентов равно числу составляющих веществ системы минус число уравнений, связывающих концентрации этих веществ в равновесной системе.

Другое определение : число компонентов есть наименьшее число составляющих веществ, достаточное для определения состава любой фазы системы.

Примеры подсчета числа компонентов в однофазных и многофазных системах :

1. Смесь газов : Не, Н2, Ar — однофазная система, в которой нет химических реакций. Равновесная смесь осуществима при любых концентрациях каждого из составляющих веществ  Þ число компонентов равно общему числу составляющих веществ (3).

2. Смесь газов, реагирующих друг с другом : H2, J2, HJ — однофазная система.

  • Н2 (г)  +  J2 (г)   =   2НJ (г)
  • При равновесии :    Кравн  =        и   К = 3 — 1 = 2   — только два независимых составляющих вещества.
  • Если три концентрации связаны двумя уравнениями :
  • Кравн  =       и    [Н2] = [J2] (вначале взят чистый HJ, который распадается), то   К = 3 — 2 = 1   — система обладает свойствами однокомпонентной.
  • 3. Двухфазная система :
  • NH4Cl (тв)   =   HCl (г)  +  NH3 (г)
  • Кравн  =   [NH3]×[HCl]    и    [HCl] = [NH3] (вначале взят чистый NH4Cl)   Þ  К = 1
  • ПРАВИЛО  ФАЗ  ГИББСА.

Во всех фазах равновесной гетерогенной системы Т и Р одинаковы и химические потенциалы каждого из компонентов равны. Составим уравнения, выражающие эти условия равновесия для наиболее общего случая, когда в каждую из фаз входят все компоненты без исключения.

   ТI  =  TII  =  TIII  = … =  TФ    PI  =  PII  =  PIII  = … =   PФ Это ряды тождеств, т.к. Р и Т — независимые переменные, определяющие состояние системы.

(Здесь и далее : Ф — количество фаз, К — количество компонентов.)

   m1I  =  m1II  =  m1III  = … =  m1Ф    m2I  =  m2II  =  m2III  = … =  m2Ф    ……………………………………….   mKI  =  mKII  =  mKIII  = … =  mKФ Ряды этих равенств не являются рядами тождеств, т.к. химический потенциал одного и того же компонента в разных фазах описывается различными функциями концентраций, Р и Т.
Читайте также:  Место анализа в управленческом цикле - справочник студента

На их основании можно составлять независимые уравнения : m1I  =  m1II , m1II  =  m1III и т.д.

Подсчитаем число уравнений, образующих систему независимых уравнений, и число независимых  переменных.

Каждая строка позволяет составить (Ф — 1) независимых уравнений; общее число независимых уравнений (для mi) равно  К×(Ф — 1).

Независимыми переменными, входящими в данную систему уравнений, являются Т, Р и концентрации компонентов.

В каждой фазе имеется К компонентов, но, задавшись произвольными значениями Р и Т, мы уже не можем выбирать произвольно концентрации всех без исключения компонентов; концентрация одного из компонентов должна принимать строго определенное значение (пример : смесь не реагирующих друг с другом газов; общее Р дано; рi  могут быть произвольными у всех, кроме последнего, т.к.

  Р = р1 + р2 + … рк ). Т.о., число независимых концентраций в каждой фазе равно (К — 1), а общее число независимых концентраций во всех фазах равно Ф×(К — 1); кроме того, Р и Т — еще две независимые переменные.  Þ  Общее число независимых переменных  Ф×(К — 1) + 2.

  1. Если число независимых переменных равно числу связывающих их уравнений:
  2.                                          Ф×(К — 1) + 2   =   К×(Ф — 1)    
  3. то каждая независимая переменная принимает некоторое строго определенное значение и вся система может существовать только при этом единственно возможном сочетании значений Р, Т и концентраций компонентов.
  4. Если же число уравнений меньше числа независимых переменных, то разность 
  5.              С  =  Ф×(К — 1) + 2 — К×(Ф — 1)

представляет собой число переменных, которым можно придавать произвольные значения при имеющемся числе уравнений, а следовательно, и при данном числе фаз. «С» называется  числом  термодинамических  степеней  свободы  системы.

Иначе термин «число степеней свободы» заменяют термином «вариантность» системы. Так, системы, у которых С = 1, называют  моновариантными (одновариантными), С = 2 — бивариантными (двухвариантными) и т.д.

, С = 0 — нонвариантными. После преобразования :

  • С  =  К  —  Ф  +  2    
  • Это —  уравнение Гиббса, выражающее правило фаз : число степеней свободы равновесной термодинамической системы, на которую из внешних факторов влияют только Р и Т, равно числу компонентов системы за минусом числа фаз плюс два.
  • Если, кроме Р и Т, условия существования системы определяются еще каким-либо переменным фактором (например, электрическим потенциалом), то число независимых переменных  возрастает на 1 :   С = К — Ф + 3 .
  • Если же, наоборот, некоторые из параметров состояния системы поддерживаются постоянными, то число независимых переменных уменьшается : 
  • С = К — Ф + 1    при   Р (или Т) = const
  • C равно 0 или целому положительному числу, поэтому число фаз равновесной системы можно выразить одной из формул :  Ф £ К,  Ф £ К +1,  Ф £ К + 2.

Уравнение Гиббса выведено при условии, что каждое из составляющих веществ может беспрепятственно переходить из одной фазы в др. Поэтому оно неприложимо к системам, разделенным полупроницаемыми перегородками.

Источник: https://studizba.com/lectures/107-himija/1446-himicheskaja-termodinamika/26803-6-geterogennye-fazovye-ravnovesija-fazy-i-komponenty-stepeni-svobody-pravilo-faz-gibbsa.html

Калькулятор правила фаз Гиббса

Калькулятор правила фаз Гиббса помогает вам вычислить количество степеней свободы для правила фаз.

В статье ниже вы можете найти объяснение правила фазы Гиббса, уравнения Гиббса и некоторую информацию о том, как правильно пользоваться калькулятором. Прокрутите вниз, чтобы узнать больше!

Что такое фазовое правило Гиббса?

Фазовое правило Гиббса основывается на законах термодинамики и обеспечивает теоретический принцип для характеристики химического состояния системы.

Он предсказывает равновесные отношения фаз и присутствует в зависимости от физических условий, таких как давление и температура.

Кроме того, фазовое правило позволяет создавать фазовые диаграммы для представления и интерпретации фазовых равновесий в гетерогенных системах.

  • Уравнение правила фазы, предложенное Джозиа Уиллардом Гиббсом в 1875 году (американский физик-теоретик, профессор Йельского университета), выражается формулой:
  • F = C – P + фактор
  • где:
  • «F» – количество степеней свободы,
    «С» – количество компонентов,
  • «P» – количество фаз в системе.

«Коэффициент» (по умолчанию = 2) – это целочисленное значение в уравнении, которое зависит от температуры и давления в системе. Если одна из этих переменных постоянна, вы должны изменить ее значение на «1». Если они оба постоянны, измените значение на «0».
Это уравнение позволяет вычислить количество степеней свободы (F) из числа компонентов (C) и количества фаз в системе (P).

Детали правила фазы

Количество фаз (P)

Фаза – это форма вещества, которая однородна по химическому составу и физическим свойствам по всему объему. Это также физически отделимый материал в системе. Мы можем различить:

  1. твердое тело,
    жидкость,
    газ,
  2. плазмы.
  3. Количество компонентов (C)

C означает минимальное количество химических компонентов, необходимых для формирования всех фаз в системе. Соединение не может быть продуктом химической реакции между другими компонентами системы.

  • Количество степеней свободы (F)
  • F относится к числу переменных (например, температура, давление, концентрация компонента), которые могут изменяться независимо (с определенными пределами) без изменения состояния системы (например, количества фаз и соединений).
  • Количество степеней свободы увеличивается с увеличением количества компонентов и с уменьшением количества фаз в балансе.
  • Уравнение Гиббса
  • Давайте посмотрим применение уравнения Гиббса на примере ниже:
  • NH4HCO3 (s) NH3 (g) + CO₂ (g) + H2O (g)
  • В этой системе есть 4 соединения, 1 уравнение и 2 условия (третье условие вытекает из двух предыдущих):

I. [NH₃] = [CO₂] II. [CO₂] = [H₂0] III. [NH₃] = [H₂0]

  1. Это дает:
  2. C = 4 – 1 – 2 = 1
  3. P = 2
  4. а количество степеней свободы равно:
  5. F = 2 + 1 – 2 = 1
  6. Как пользоваться калькулятором правил фаз Гиббса?

Выберите химическую систему для расчетов. Предположим, что он состоит из 1 компонента, который присутствует в 2 фазах.
В этой системе давление и температура могут изменяться.
Введите соответствующие цифры в калькулятор: количество соединений и количество фаз, коэффициент равен 2 для этого примера.
Проверьте результат в последнем поле калькулятора

F = 1 – 2 + 2 – 0 = 1

Теперь вы можете выполнять свои вычисления с помощью калькулятора правил фаз Гиббса.

Источник: https://ab-news.ru/himicheskie-kalkulyatoryi/kalkulyator-pravila-faz-gibbsa/

Тема: Термодинамика фазовых равновесий. Правило фаз Гиббса. Диаграмма состояния однокомпонентных и бинарных систем лекарственных веществ (ЛВ)

  • Южно- Казахстанская государственная фармацевтическая академия
  • Кафедра фармакогнозии и химии
  • Специальность: 5В110300- «Фармация»
  • Дисциплина: Физическая и коллоидная химия
  • Курс: 2
  • Лекционный комплекс
  • Учебный год
  • Кредит
  • Лекция № 1

Тема: Предмет физической химии. Основные разделы. Первый закон термодинамики. Второе начало термодинамики

2.Цель: Физическая и коллоидная химия является одной из основных дисциплин в области фармацевтического образования, имеющая значительную роль в подготовке высококвалифицированных специалистов-фармацевтов.

  1. Данный предмет формирует химическое мышление, определяет закономерности протекания физико-химических процессов и условия достижения химического равновесия, учит анализировать и делать выводы о влиянии внешних факторов, природы веществ на ход химических реакции.
  2. 3. Тезисы лекции:
  3. Термодинамика исследует:

1) превращение различных форм энергии друг в друга, в том числе превращенение химической энергии в другие формы энергии,т.е. химическую термодинамику;

  • 2) энергетические эффекты различных физико-химических процессов, их взаимосвязь с внешними факторами;
  • 3) направление, возможность, предел протекания самопроизврольно идущих процессов.
  • Задача предмета химической термодинамики – применение основных законов термодинамики и термодинамических методов исследования для изучения химических физико-химических явлений.
  • Системой называют любую избранную совокупность веществ отделенную от внешней среды определенной поверхностью раздела.

Если для системы полностью исключен обмен с внешней средой, веществом и энергией, ее называют изолированной. Если же система может обмениваться с окружающей средой только энергией, ее называют закрытой. Следует подчеркнуть, что реальные системы могут лишь приближаться к этим понятиям, но никогда полностью с ними не совпадают.

Фазой называют совокупность всех однородных по составу и физико-химическим свойствам частей системы, отделенных четкой и определенной поверхностью раздела, т.е. имеется возоможность изоляции данной фазы от остальной части системы.

Функции состояния

Под внутренней энергией системы Uподразумевают ее общий запас, обусловленный всеми видами движений и взаимодействий составляющих ее молекул, атомов, ионов и элементарных частиц. В эту энергию включается энергия поступательного, колебательного и вращательного движений молекул, атомов, ионов, электронов, протонов, нейтронов и т.д.;

Сумму внутренней энергии системы и произведения объема на давление в термодинамике называют энтальпией Н:

H=U+pV

Энтальпия – термодинамическая функция, которая, подобно температуре, давлению, объему и внутренней энергии, характеризует одно из свойств системы. Абсолютное значение энтальпии для рассматриваемой системы определить невозможно, и в термодинамических расчетах фигурируют лишь изменения энтальпии ∆Н, происходящее при переходе системы из одного состояния в другое.

1 закон термодинамики:

Основан на законе сохранения энергии:

1. Если в каком-нибудь процессе исчезает какой-то вид энергии, то вместо него появляется другой вид энергии в строго эквивалентном количестве.

2. Различные формы энергии переходят друг в друга в строго эквивалентном количестве.

3. В изолированной системе запас энергии системы постоянно.

В математическом виде 1-закон термодинамики пишется в таком виде:

Q = ∆U + A

Термохимия – один из основных разделов термодинамики. Она исследует тепловые эффекты химических реакций, теплоемкости систем и величины, связанные с ними.

Термохимические уравнения – уравнения химических реакции, где указаны их тепловые эффекты, например:

А+В = С+Д + 20кДж

Тепловой эффект химической реакций – количество выделенной или поглощенной теплоты в ходе реакции. В термодинамике за эту величину принимает изменение энтальпии системы (∆Н, кДж/моль).

Второй закон термодинамики, согласно которому всякий самопроизвольный процесс в изолированной системе идет с возрастанием энтропии. Таким образом, если в результате процесса ΔS>0, процесс термодинамически возможен; если же ΔS

Источник: https://megalektsii.ru/s12407t7.html

Гиббса правило фаз — «Энциклопедия»

ГИББСА ПРАВИЛО ФАЗ, закон термодинамики многофазных многокомпонентных систем, согласно которому число фаз r, сосуществующих в равновесии, не превосходит числа независимых компонентов n более чем на два: r ≤ n + 2. Гиббса правило фаз установлено Дж. У. Гиббсом в 1876 году.

В основе Гиббса правила фаз лежит предположение, что каждой фазе соответствует свой термодинамический потенциал (например, Гиббса энергия) как функция независимых термодинамических параметров.

Гиббса правило фаз есть следствие условий термодинамического равновесия многокомпонентных многофазных систем, так как число независимых термодинамических переменных в равновесии не должно превышать числа уравнений для них.

Максимальное число сосуществующих фаз достигается, когда число переменных равно числу уравнений, определяющих термодинамическое равновесие. Гиббса правило фаз задаёт число независимых переменных, которые можно изменить, не нарушая равновесия, т. е. число термодинамических степеней свободы (или вариантность) системы f = n + 2-r.

При f =0 система называется ин(нон)вариантной, при f=1 — моно(уни)вариантной, при f=2 — ди(би)вариантной, при f≥3 — поливариантной.

Гиббса правило фаз справедливо, если фазы однородны во всём объёме и имеют достаточно большие размеры, так что можно пренебречь поверхностными явлениями, и если каждый компонент может беспрепятственно проходить через поверхности раздела фаз, т. е. отсутствуют полупроницаемые перегородки.

Слагаемое 2 в Гиббса правиле фаз связано с существованием двух переменных (температуры и давления), одинаковых для всех фаз. Если на систему действуют внешние силы (например, электрическое или магнитное поле), то это слагаемое возрастает на число независимых внешних сил. При рассмотрении фазового равновесия в системах с дисперсной жидкой фазой, когда необходимо учитывать силы поверхностного натяжения, это слагаемое возрастает на единицу и Гиббса правило фаз выражается соотношением n+3-r ≥ 0.

Реклама

Если в системе не происходит химических превращений, то число независимых компонентов равно числу индивидуальных веществ, из которых состоит смесь. Если в системе, состоящей из n веществ и r фаз, протекает к независимых реакций, то число степеней свободы равно f=n-к-r + 2.

Гиббса правило фаз является основой физико-химического анализа сложных систем, его использовали для классификации различных случаев химического равновесия. С помощью Гиббса правила фаз были открыты новые вещества и определены условия, при которых они могут существовать.

Лит.: Гиббс Дж. Термодинамика. Статистическая механика. М., 1982; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. 5-е изд. М., 2002. 4.1; Мюнстер А. Химическая термодинамика. 2-е изд. М., 2002.

Источник: http://knowledge.su/g/gibbsa-pravilo-faz

Ссылка на основную публикацию