تعادل فاز و قانون فاز
تعادل فاز همزیستی جامدات، مایعات، گازها و محلولها را توصیف میکند و قانون فاز گیبس تعداد شرایطی را که میتوان آزادانه تغییر داد در حالی که فازها در تعادل باقی میمانند، شمارش میکند.
Definition
تعادل فاز شرایطی است که تحت آن دو یا چند فاز ماده در پتانسیل شیمیایی برابر همزیستی دارند، و قانون فاز رابطهای است که درجات آزادی برابر با اجزا منهای فازها به علاوه دو است، که تعداد شرایط فشرده متغیر مستقل را تعیین میکند.
Scope
این موضوع ترمودینامیک همزیستی فاز را پوشش میدهد: برابری پتانسیلهای شیمیایی در فازها، معادلات کلاپیرون و کلاوزیوس-کلاپیرون که مرزهای فاز را کنترل میکنند، و ساخت و خواندن نمودارهای فاز برای مواد خالص و مخلوطها. این شامل قانون فاز گیبس مربوط به درجات آزادی به اجزا و فازها، خواص کولیگاتیو، امتزاجپذیری جزئی، یوتکتیکها، و قانون اهرم است، در حالی که سینتیک هستهزایی و رشد خارج از محدوده آن قرار دارد.
Core questions
- چرا پتانسیل شیمیایی هر جزء باید در هر فاز همزیست در تعادل برابر باشد؟
- معادلات کلاپیرون و کلاوزیوس-کلاپیرون چگونه شیب مرزهای فاز را توصیف میکنند؟
- قانون فاز گیبس چگونه درجات آزادی را در یک سیستم ناهمگن شمارش میکند؟
- یوتکتیکها، آزئوتروپها و امتزاجپذیری جزئی چگونه از نمودارهای فاز خوانده میشوند؟
Key concepts
- برابری پتانسیلهای شیمیایی در فازها
- معادلات کلاپیرون و کلاوزیوس-کلاپیرون
- قانون فاز گیبس و درجات آزادی
- نمودارهای فاز، خطوط گره و قانون اهرم
- یوتکتیکها، آزئوتروپها و خواص کولیگاتیو
Key theories
- قانون فاز گیبس
- برای یک سیستم در تعادل، تعداد متغیرهای شدتی که میتوانند به طور مستقل تغییر کنند، برابر است با تعداد اجزا منهای تعداد فازها به علاوه دو، که محدود میکند چند فاز میتوانند همزیستی داشته باشند و نمودارهای فاز چگونه سازماندهی میشوند.
- رابطه کلاوزیوس-کلاپیرون برای مرزهای فاز
- شیب خط همزیستی در نمودار فشار-دما توسط تغییرات آنتروپی و حجم گذار تعیین میشود؛ برای تبخیر و تصعید این به معادله کلاوزیوس-کلاپیرون کاهش مییابد که فشار بخار را به آنتالپی گذار مرتبط میکند.
Clinical relevance
تعادل فاز تقطیر و تبلور را در تولید شیمیایی، فرآوری آلیاژ و سرامیک در علم مواد، تشکیل مواد معدنی در زمینشناسی، و کاهش نقطه انجماد و پدیدههای اسمزی را که در محافظت از سرما و فرمولاسیون دارویی مورد بهرهبرداری قرار میگیرند، کنترل میکند.
History
کلاپیرون معادله شیب مرز فاز را در سال ۱۸۳۴ استخراج کرد؛ قانون فاز گیبس در دهه ۱۸۷۰ به تعادلات ناهمگن ساختاری ترکیبی دقیق بخشید، و روزبوم و دیگران آن را به طور سیستماتیک برای ساخت نمودارهای فاز چند جزئی که برای متالورژی و شیمی مرکزی شدند، به کار بردند.
Key figures
- J. Willard Gibbs
- Benoit Paul Emile Clapeyron
- Hendrik Willem Bakhuis Roozeboom
Related topics
Seminal works
- atkins2018
- levine2009
Frequently asked questions
- یک نقطه در نمودار فاز با صفر درجه آزادی به چه معناست؟
- این یک نقطه ناوردا است، مانند نقطه سهگانه یک ماده خالص، که در آن دما و فشار هر دو ثابت هستند؛ هر تغییری در شرایط باعث میشود یکی از فازهای همزیست ناپدید شود.
- چرا یک مخلوط مایع دو جزئی گاهی اوقات نمیتواند به طور کامل با تقطیر جدا شود؟
- برخی مخلوطها آزئوتروپها را تشکیل میدهند، ترکیباتی که در آنها بخار و مایع ترکیب یکسانی دارند، بنابراین تقطیر معمولی نمیتواند مخلوط را فراتر از آن نقطه بدون تغییر فشار یا افزودن جزء دیگر غنی کند.