Химический потенциал и фазовые равновесия

Химический потенциал измеряет изменение энергии при добавлении частицы, а равенство химических потенциалов между фазами определяет условия фазового и химического равновесия.

Definition

Химический потенциал — это изменение термодинамического потенциала при добавлении одной частицы данного вида при фиксированных сопряженных переменных, а фазовое равновесие — это состояние, при котором температура, давление и химический потенциал каждого вида равны во всех сосуществующих фазах.

Scope

Эта тема охватывает определение химического потенциала как производной соответствующего потенциала по числу частиц, условия механического, теплового и химического равновесия между сосуществующими фазами, правило фаз Гиббса, уравнение Клаузиуса-Клапейрона для кривых сосуществования и равновесие химических реакций. Описание переходов с помощью параметра порядка рассматривается в разделе «Фазовые переходы».

Core questions

• Как определяется химический потенциал и как он связан со свободной энергией Гиббса на частицу?
• Почему химический потенциал должен быть одинаковым во всех фазах в состоянии равновесия?
• Как правило фаз Гиббса определяет число степеней свободы многофазной системы?
• Как уравнение Клаузиуса-Клапейрона определяет наклон кривой сосуществования?

Key concepts

• Химический потенциал и число частиц
• Условия фазового сосуществования
• Правило фаз Гиббса
• Уравнение Клаузиуса-Клапейрона
• Равновесие химических реакций

Key theories

Условия Гиббса для фазового равновесия

Две фазы сосуществуют в равновесии, когда их температуры, давления и химический потенциал каждого компонента равны, минимизируя общую свободную энергию Гиббса гетерогенной системы.

Clinical relevance

Химический потенциал регулирует диффузию, осмос, растворимость и равновесие реакций в химии, биологии и материаловедении, в то время как условия фазового равновесия лежат в основе построения фазовых диаграмм, используемых в металлургии, геологии и химической инженерии.

History

Гиббс ввел химический потенциал и правило фаз в своем мемуаре 1870-х годов о гетерогенном равновесии, объединив более ранние результаты, такие как соотношение Клаузиуса-Клапейрона, в общую теорию сосуществующих фаз и реакций.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Rudolf Clausius
• Benoit Clapeyron

Seminal works

• gibbs1876
• callen1985

Frequently asked questions

Что означает равенство химических потенциалов между фазами?

Это означает отсутствие чистой движущей силы для перемещения частиц из одной фазы в другую; если бы потенциалы различались, частицы текли бы к фазе с более низким химическим потенциалом до тех пор, пока равенство, а следовательно, и равновесие, не было бы восстановлено.