Однокомпонентные гетерогенные системы

В однокомпонентных системах фазы состоят из одного вещества в различных агрегатных состояниях. Если вещество может давать различные кристаллические модификации, то каждая из них является особой фазой. Так, вода образует шесть различных модификаций льда, сера кристаллизуется в ромбической и моноклинной формах, существует белое и серое олово, известен белый, фиолетовый и черный фосфор. Каждая модификация устойчива только в определенном интервале температур и давления. Согласно правилу фаз Гиббса при К=1 число степеней свободы будет равно С = 3 ─ Ф. Таким образом, число равновесных фаз в однокомпонентной системе не может быть больше трёх, то есть могут существовать системы: однофазные, двухфазные и трёхфазные.

Диаграмма состояния воды

Три кривые разбивают диаграмму (рис.3.4) на поля, каждое из которых отвечает одному агрегатному состоянию воды: лед, жидкая вода и пар. Кривые отвечают равновесию между соответствующими двумя фазами.

Рис.3.4. Диаграмма состояния воды при средних давлениях.

Кривая ОС характеризует зависимость давления насыщенного пара жидкой воды от температуры и называется кривой испарения; кривая ОВ ─ зависимость температуры замерзания воды от внешнего давления и называется кривой плавления; кривая ОА─ зави-симость давления насыщенного пара над льдом от температуры и называется кривой возгонки; кривая OD определяет давление насыщенного пара над переохлажденной водой (метастабильное состояние). При внесении в такую во-

ду нескольких кристалликов льда произойдет быстрое замерзание воды. Эти же кривые характеризуют и обратные равновесные соответствующие процессы: конденсации, кристаллизации и сублимации.

Для однофазной области, обозначенной например, точкой 1, число степеней свободы С = 3 - 1= 2. Это означает, что в известных пределах можно менять температуру и давление и это не вызовет изменения числа и вида фаз системы. В точке 2 число степеней свободы С = 3 - 2= 1. Это указывает на возможность произвольного изменения или температуры или давления. При этом вторая переменная тоже должна изменяться в соответствии уравнением Клапейрона–Клаузиуса.

В точке О в равновесии находятся одновременно три фазы: лед, жидкая вода и пар, число степеней свободы в тройной точке равно С = 3 - 3= 0. Это означает, что все три фазы могут находиться в равновесии только при определенных условиях:

р=6, 1·10² Па и Т = 273, 1576 К (0, 0076°С).

Диаграмма состояния серы

Если твердое вещество может образовывать несколько кристаллических модификаций, то на диаграмме состояния можно различить фазовые переходы, когда одна кристаллическая модификация при изменении внешних условий, например, температуры, переходит в другую кристаллическую модификацию и при восстановлении прежних условий возвращается в первоначальную форму. Примером такого превращения может служить переход ромбической серы в моноклинную и обратно.

Рис.3.5. Диаграмма состояния серы.

Сера может находиться в четырех модификациях: парообразной, жидкой и двух кристаллических, условия существования которых приведены на диаграмме состояния серы (рис.3.5). На диаграмме имеются четыре области, отвечающие устойчивому существованию четырех фаз серы и четыре тройные точки. В точке А ромбическая сера превращается в моноклинную, в равновесии находится три фазы: сера ромбическая, сера моноклинная

и сера парообразная, число степеней свободы равно С = 3 - 3= 0.

В точке С моноклинная сера плавится, здесь осуществляется безвариантное равновесие трех фаз серы: жидкой, моноклинной и парообразной. В точке В в равновесии с жидкой серой находятся две ее кристаллические модификации: ромбическая и моноклинная, число степеней свободы равно С = 3 - 3= 0. В точке О сосуществуют перегретая ромбическая сера (кривая ОВ ), переохлажденная жидкая сера (кривая ОС ), и парообразная сера (кривая АО ), давление пара которой выше давления пара, равновесного с моноклинной серой (кривая АС ). Такой пар будет пересыщенным относительно пара, равновесного с серой моноклинной. В точке О три неустойчивые фазы образую метастабильную, неустойчивую систему.

Кривая АВ показывает, как изменяется температура превращения ромбической серы в моноклинную с изменением давления. Кривая CВ характеризует изменение температуры плавления моноклинной серы с изменением давления, кривая CВ имеет наклон вправо, то есть с повышением давления температура плавления моноклинной серы увеличивается. Кривые AD, AC и CE характеризуют равновесия: переход ромбической серы в парообразную, моноклинной серы в парообразную и жидкой серы в парообразную. Кривые АО, ОС и ОВ относятся к метастабильным равновесиям. При давлении больше, чем в точке В сера ромбическая при нагревании превращается в жидкую серу, минуя фазу серы моноклинной, которая является устойчивой только в области АВС.

Предыдущая 1 2 3 4 5 6 789 10 11 12 13 14 15 16 Следующая