Состояния однокомпонентной системы

Применим правило фаз Гиббса к анализу диаграммы состояния однокомпонентной системы, например, воды (рис. 2.1). В области средних давлений и средних температур вода может находиться в жидком состоянии, твердом (лед) и газообразном (пар). Так как система однокомпонентная, ее состояние характеризуется только двумя внешними параметрами: р и Т.

Рис.2.1 Диаграмма состояния воды:

ОВС – состояние жидкой воды;

АОС – состояние пара;

АОD – состояние льда;

О – тройная точка;

ОВ – кривая плавления;

ОС – кривая испарения;

ОА – кривая возгонки;

ОD – кривая давления насыщенного пара над переохлажденной водой.

Рассмотрим различные равновесные состояния системы.

1. Если вода находится в однофазном состоянии, то m = 1, тогда

.

Если C = 2, то мы можем произвольно в определенных пределах изменять два параметра: р и Т независимо друг от друга, при этом число и вид фаз системы не изменится. На диаграмме такому состоянию системы отвечают три плоскости, характеризующие состояние жидкой воды, пара и льда: OBC, AOC и AOD.

2. Если в равновесии находятся двухфазная гетерогенная система (жидкая вода – пар; жидкая вода – лед; лед – пар), то

Если С = 1, то возможно изменение только одного параметра: Т или р. На диаграмме такое состояние характеризуется тремя кривыми: ОС, ОВ и ОА, которые описываются уравнением Клаузиуса-Клапейрона. Например, если изменится температура, то в соответствии с уравнением будет меняться и давление, т.е. независимо изменяется только один параметр. Кривая ОВ показывает, что с повышением давления температура плавления льда уменьшается. Это также следует из уравнения Клаузиуса-Клапейрона.

3. Если в равновесии находится трехфазная система (вода – лед – пар), тогда

Если С = 0, то ни один из параметров состояния изменить нельзя. Это означает, что три фазы могут находиться в равновесии только при определенных условиях. На диаграмме такое состояние выражается точкой О, которая называется тройной. Если изменится Т или р, то изменится число фаз (система станет однофазной или двухфазной) и установится другое равновесное состояние.