Термодинаміка фазових переходів

План лекції

 

1. Агрегатний стан речовин. Властивості речовин у різних агрегатних станах.

2. Фазові рівноваги. Правило фаз Гіббса. Фазові переходи. Хімічний потенціал речовин.

3. Фізико-хімічний аналіз. Принцип Курнікова. Діаграма стану води та її аналіз.

Рекомендована література: [1] С.238-254, [2] С.36-40, [3] С.42-57,

[4] С.106-111, 147-148.

Агрегатний стан речовин

У залежності від умов існування речовини можуть знаходитися у твердому, рідкому, газоподібному стані або у вигляді плазми. У газоподібному стані речовини заповнюють увесь об'єм посудини, в якій знаходяться. Вони мають здатність стискатися і утворюють однорідні суміші. Молекули у газах рухаються хаотично. Для ідеальних газів, в яких не враховується міжмолекулярна взаємодія, тиск р, об'єм V і число молів газу n зв'язані між собою рівнянням Мендєлєєва-Клапейрона:

pV = nRT., (3.1)

Під час охолодження газ конденсується перетворюючись на рідину. Відстань між молекулами в рідинах значно менша, ніж у газах. Молекули вільно переміщуються відносно одна одної, тому рідини здатні текти і приймати форму посудини, в якій вони поміщені. Тепловий рух молекул призводить до їх неупорядкованого розташування. У той же час сусідні часточки розташовуються у рідині не хаотично, а більш-менш упорядковано. Рідини характеризуються ізотропністю, тобто ідентичністю властивістю у будь-якій точці і тотожністю у будь-якому напрямку.

У твердому агрегатному стані середня відстань між часточками дорівнює їх розмірам, а енергія їх взаємодії значно більша, ніж у рідинах. Основним видом руху часточок є коливальний рух поблизу фіксованого рівноважного положення. Тверді речовини можуть бути в аморфному або кристалічному стані. В аморфному стані структура речовини не упорядкована. Аморфна речовина ізотропна, тобто її можна розглядати як переохолоджену рідину. Плавляться такі речовини не за певної температури, а у деякому інтервалі температур. Аморфними речовинами є скло, органічні полімери. Більшість твердих тіл є кристалами – системами, в яких часточки, що їх утворюють (атоми або іони) розташовані у тримірному просторі регулярно і упорядковано. На відміну від аморфних речовин у кристалах значення параметрів будуть різними у різних напрямках, тобто кристали анізотропні. Перехід кристалів із твердого стану в рідкий відбувається стрибкоподібно за певної температури, яка називається температурою плавлення.

Типовими представниками кристалічних речовин є метали, деякі мінерали. На лекції надається характеристика структури і загальних фізико-хімічних властивостей металів: наявності металічного блиску, пластичності, здатності проводити тепло і струм.

3.2Фазові рівноваги

Термодинамічні системи поділяються на гомогенні і гетерогенні. Система, що складається лише з однієї фази називається гомогенною, якщо ж у системі є дві і більше фаз – гетерогенною. Фазою називають частину системи, яка має однакові фізико-хімічні властивості і відокремлена від інших фаз видимою межею поділу. Компонентом називається хімічно індивідуальна речовина, яка будучі виділена із системи може існувати у вільному стані тривалий час. Фазовими переходами називаються процеси переходу компонентів з однієї фази в іншу, які не супроводжуються хімічними реакціями, наприклад процеси плавлення, конденсації, розчинення. За незмінності зовнішніх умов у системі встановлюється фазова рівновага – стан коли швидкість переходу компонентів із однієї фази в іншу дорівнює швидкості їх зворотного переходу.

Основним законом фазової рівноваги є правило фаз Гіббса:

С = К – Ф + n, (3.2)

де Ф – число фаз у системі; К – число незалежних компонентів; n – число зовнішніх факторів, що впливають на рівновагу в системі; С – число ступенів вільності, яке дорівнює числу факторів, які можна довільно змінювати у певних межах, не змінюючи при цьому фазовий стан системи. Число незалежних компонентів – це мінімальна кількість компонентів, яка необхідна для утворення усіх фаз системи.

Можливість і напрямок фазових переходів речовин визначається величиною їх хімічних потенціалів m – функції, що характеризує стан компонента у фазі за певних зовнішніх умов. Вільна енергія відкритих систем залежить не тільки від їх температури, тиску і об'єму, але й від кількості речовини компонентів у системі. При доданні у систему або вилучені з неї певної кількості речовини будь-якого компоненту її внутрішня енергія, а відповідно, і вільна енергія будуть змінюватися.

Хімічний потенціал компоненту визначається за зміною значень термодинамічних потенціалів системи під час додання до неї (або вилучення) 1 моля цього компоненту. Математично це визначення можна записати:

= . (3.3)

В інтегральному вигляді рівняння (4.3.) буде мати вигляд:

. (3.4)

Тобто термодинамічні потенціали систем дорівнюють сумі добутків хімічних потенціалів усіх компонентів системи на їх кількість за умов сталості певних параметрів: температури, об’єму, тиску.

Хімічний потенціал залежить від концентрації компоненту у системі і за сталої температури визначається рівнянням:

, (3.5)

де С_і – концентрація і -го компоненту у розчині, m ₀ – стандартний хімічний потенціал компоненту (значення хімічного потенціалу за стандартних умов).

Самочинний перехід компоненту здійснюється з фази, де його хімічний потенціал більший, у фазу, де його потенціал менший. Перехід супроводжується зменшенням значення хімічного потенціалу компоненту у першій фазі і збільшенням його у другій. Внаслідок чого різниця між хімічними потенціалами компонентів в обох фазах зменшується, і коли значення хімічних потенціалів зрівняються, досягається стан фазової рівноваги. Таким чином, хімічний потенціал є критерієм, що характеризує здатність компонентів до виходу з фази шляхом випаровування, кристалізації, розчинення тощо.

Фізико-хімічний аналіз

Задачею фізико-хімічного аналізу (ФХА) є вивчення залежностей між фізичними властивостями рівноважних систем та їх складом і зовнішніми факторами, що впливають на стан рівноваги. Основним принципом ФХА є принцип безперервності М.С.Курнакова: "При поступовій неперервній зміні параметрів системи (тиску, температури або складу фаз) властивості системи також змінюється безперервно; якщо ж одна з фаз зникає або з’являється нова, то властивості системи змінюються стрибкоподібно". На підставі дослідницьких результатів будують діаграми стану (фазові діаграми), які графічно описують одержані залежності. На цих діаграмах широко застосовуються геометричні поняття: окремі фази являють собою частину простору, двофазні рівноважні системи – лінії і, трифазні системи зображують крапками. Аналіз фазових діаграм дозволяє виявляти наявність у системі хімічних сполук, їх склад, стійкість, температури фазових переходів тощо.

Діаграма стану води. Розглянемо діаграму стану однокомпонентної системи на прикладі діаграми стану води (див. рис. 3.1), яка характеризує зміну властивостей води у залежності від температури і тиску. Криві на діаграмі поділяють площину між координатними осями на 3 області: нижче від лінії МОК – область існування ненасиченої пари, між лініями ОL і ОK – рідкої води, ліворуч від лінії МОL – льоду. У межах кожної з цих областей можна довільно змінювати тиск і температуру – система при цьому залишиться однофазною. Система за наявності в ній одночасно двох фаз моноваріантна, тобто в ній довільно можна змінювати лише один з параметрів, інший повинен змінюватись у залежності від першого. Лінії ОК і МО – це криві випаровування і возгонки, вздовж яких з підвищенням температури або тиску здійснюються процеси випаровування і возгонки відповідно. У разі зниження температури або тиску вздовж цих кривих відбуваються оборотні процеси конденсації пари, тобто перехід її в рідину або тверду фазу. Лінія ОL – характеризує процеси плавлення льоду та кристалізації рідкої води. Точка О називається нульовою точкою води: за умов, що відповідають цій точці, у рівновазі одночасно знаходяться три фази – рідка вода, лід і водяна пара. Система за цих умов – безваріантна.

 

Рисунок 3.1 – Діаграма стану води

Лекція №4