Равнове́сие фаз в термодинамике — состояние, при котором фазы в термодинамической системе находятся в состоянии теплового, механического и химического 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.
Химическое равновесие выражается в равенстве химических потенциалов всех фаз вещества.
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
,
где и — химические потенциалы, а и — числа частиц в первой и второй фазах соответственно.
При этом сумма (полное число частиц в системе) меняться не может, поэтому можно записать
.
Предположим, что , 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
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 называется кривой испарения.
Из условия равенства химических потенциалов следует условие равенства удельных термодинамических потенциалов:
,
где , — потенциал Гиббса i-й фазы, — её масса.
Отсюда:
,
а значит,
,
где и — удельные объем и энтропия фаз. Отсюда следует, что
,
и окончательно
,
где — удельная теплота фазового перехода (например, удельная теплота плавления или удельная теплота испарения).
Последнее уравнение называется уравнением Клапейрона — Клаузиуса.
Правило фаз Гиббса
Основной закон гетерогенных равновесий, согласно которому в гетерогенной (макроскопически неоднородной) физико-химической системе, находящейся в устойчивом термодинамическом равновесии, число фаз не может превышать числа компонентов, увеличенного на 2. Установлено Дж. У. Гиббсом в 1873—76БСЭ.
См. также Термодинамическое равновесие Потенциал Гиббса
Примечания
Литература Базаров И. П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991. 376 с.
Категория:Термодинамика