Понятие фазы вещества кратко

Обновлено: 05.07.2024

Любая гетерогенная система состоит из отдельных гомогенных, физически или химически различных, механически отделимых друг от друга частей, называемых фазами. Например, насыщенный раствор хлорида натрия с кристаллами NaCl в осадке и водяным паром над раствором - это система, состоящая из 3 фаз: жидкого раствора, твердой соли и газообразной воды. Фазы имеют различный химический состав и физические свойства и могут быть разделены чисто механическими операциями: раствор можно отфильтровать от осадка, а пар собрать в любом свободном объеме системы.

Фаза - это совокупность всех гомогенных частей гетерогенной системы,
отделенная от других частей системы четкими поверхностями раздела
(межфазными границами).

Химический состав и свойства остаются постоянными внутри объема, занимаемого фазой. При переходе через межфазную границу состав и свойства меняются скачком. Поскольку газы полностью смешиваются друг с другом, в системе может быть только одна газовая фаза, но много твердых и жидких несмешивающихся фаз.

Числом компонентов - К, называется наименьшее число независимо
изменяющихся веществ, с помощью которых можно описать состав каждой
фазы в системе в отдельности.

  • уравнения химического равновесия,
  • дополнительные условия, которые связывают концентрации веществ или состав фаз.

Каждая химическая реакция, каждое дополнительное условие уменьшают число независимых компонентов на 1. Таким образом, число компонентов К выражается формулой:

где s - число веществ,
n - число независимых химических реакций,
m - число соотношений между концентрациями веществ или составами фаз.

Приведем другой метод определения числа независимых компонентов. Пусть имеется система из нескольких фаз в равновесии, и пусть химическим анализом определен состав каждой фазы. Если все фазы имеют одинаковый состав, то система состоит только из одного компонента. Если две фазы должны быть соединены друг с другом, чтобы получить состав третьей фазы, то имеется система из двух компонентов; если необходимы три фазы, чтобы дать состав четвертой - то в системе три компонента и т.д.

Выбор компонентов зачастую произволен, но число компонентов К - величина фиксированная, она является важной характеристикой системы при данных условиях.

Пример 1. Твердый оксид кальция, твердый карбонат кальция и газообразный диоксид углерода находятся в равновесии. Общее число веществ s=3. Число независимых компонентов уменьшается на единицу ( т.е. К=s-n=3-1=2 ), благодаря наличию химического равновесия, в котором участвуют три фазы:

Равновесие описывается следующей константой:

т.к. активности твердых веществ равны единице (CaCO3 и CaO нерастворимы друг в друге). Данная константа не зависит от количеств карбоната и оксида кальция, принимающих участие в равновесии. Следовательно, система остается двухкомпонентной и в том случае, когда СаО и СО2 получаются при диссоциации СаСО3. Эти рассуждения будут справедливы для разложения любого твердого вещества с образованием газообразной и твердой фазы другого состава. Карбонат кальция представляет пример вещества, которое испаряется с разложением, или инконгруэнтно. В данном случае вполне естественно в качестве независимых компонентов выбрать СаО и СО2. Возможны и другие пары компонентов: СаСО3 и СаО, СаСО3 и СО2.

Пример 2. Водород и кислород находятся в равновесии с водяным паром ( s=3, n=1 ). В этой однофазной системе существует два независимых компонента (H2O и O2, H2O и H2 или H2 и O2), потому что состав третьего определяется из уравнения равновесия:

Если указаны дополнительные условия, то число компонентов уменьшается до единицы ( K=s-n-m=3-1-1=1 ). Например, если водород и кислород образуются только из воды, то имеется еще одно дополнительное уравнение связи рH2 = 2рO2 (m=1), которое отражает равновесный состав газовой смеси.

Пример 3. При нагревании хлорид аммония диссоциирует на аммиак и хлороводород. В этой системе 2 фазы ( твердая - хлорид аммония, и газообразная - смесь аммиака и хлороводорода) и 3 вещества ( s=3 ), но только количество одного из них изменяется независимо. Химическое равновесие ( n=1 ):

с учетом того, что (состав твердой фазы) = (составу газовой фазы) (m=1), позволяет выбрать одно вещество - NH4Cl, для описания составов обеих фаз ( K=s-n-m=3-1-1=1).

Если к газовой фазе добавить один из продуктов диссоциации, например HCl, то система станет двухкомпонентной, поскольку состав твердой фазы как и прежде - NH3 : HCl = 1 : 1, а в газовой фазе NH3 : HCl = x : y ( s=3, n=1, m=0 ). Для выражения состава газовой фазы теперь нужно использовать два компонента - NH3 и HCl.

Эти рассуждения справедливы для разложения любого вещества с образованием только газовой фазы ( т.е. для вещества, которое возгоняется при нагревании ). О таких веществах говорят, что они испаряются конгруэнтно.

Рассмотрим систему вода – этанол. Известно, что в ней может образовываться третье вещество – слабо связанный димер воды и этанола. Должны ли мы называть эту систему трехкомпонентной? Считаем, что три вещества вода, этанол и димер находятся в равновесии, тогда, несмотря на то, что s = 3, имеем n = 1 и K = 2. Еще один вид ограничений связан с ионными растворами.

Задача 1. Сколько независимых компонентов содержится в системе NaCl – H2O?

Решение: Первый ответ – два: соль и вода. Второй – три: катион, анион и вода. Ошибка второго ответа заключается в следующем: в нем не учитывается электронейтральность раствора; раствор не может иметь заряда, поэтому число ионов Na + должно быть равно числу ионов Cl - . Т.е., s=3, но m=1(условие электронейтральности раствора [Na + ] = [Cl - ]) и, следовательно, К=2. Такой же результат будет получен, если принимать во внимание диссоциацию воды.

Числом степеней свободы - С, называется наименьшее число независимых переменных системы (давление, температура и концентрации веществ в различных фазах), которые необходимо задать, чтобы полностью описать состояние системы.

  • давление (р) и температура (Т) одинаковы во всех точках системы,
  • химический потенциал ( i) каждого i-го компонента одинаков во всех фазах.

Рассмотрим равновесную систему из Ф фаз и К компонентов. Состав каждой фазы можно определить с помощью (К-1) концентраций, поскольку все концентрации связаны условием: S Xi = 1, где Xi - мольная доля i-го компонента. Общее число переменных, характеризующих систему = (К-1) . Ф концентраций + 2 (температура и давление).

Если одна из этих переменных (температура или давление) поддерживается постоянной, то число независимых переменных составит (К-1) . Ф + 1. Если же на систему действует, например, внешнее магнитное поле, то общее число независимых переменных увеличится и составит (К-1) . Ф + 3.

Часть переменных связана уравнениями, вытекающими из условий равновесия (см.второе условие равновесия):

Общее число таких уравнений = (число строк) х (число равенств в строке) =К . (Ф-1).
Число степеней свободы С=(общему числу переменных)-(число уравнений связи между этими переменными)=[(К-1) . Ф + 2] - К . (Ф-1); раскрывая скобки и группируя слагаемые получим :

Правило фаз Гиббса: С + Ф = К + 2

  • Для любой системы число фаз максимально, когда С=0.
  • Для однокомпонентной системы К=1 максимальное число фаз Ф=3.
  • Для двухкомпонентной системы К=2 максимальное число фаз Ф=4.

Пример 4. Рассмотрим систему, образованную CaCO3 (тв.) и продуктами его разложения - CaO(тв.) и CO2(газ). Данная система двухкомпонентна - К=2, независимо от относительных количеств составляющих ее веществ (см. Пример 1); в системе присутствуют три фазы (Ф=3): две твердых - CaCO3 (тв.) и CaO(тв.), и одна газообразная - CO2(газ). Согласно правилу фаз, число степеней свободы такой системы С=1. Это означает, что для описания состояния системы достаточно одного параметра. Предмет нашего описания - химическое равновесие, выраженное уравнением (2). Константа данного равновесия зависит от парциального давления углекислого газа ( уравнение (3)) и температуры, т.е. Кр=f(pCO2,T); однако, лишь один из двух параметров состояния системы - pCO2 и T, может быть выбран в качестве независимого параметра. В качестве такового удобно выбрать температуру, тогда pCO2 = f(T). Следовательно, давление углекислого газа в системе, содержащей карбонат и оксид кальция и оксид углерода в равновесии, однозначно определяется температурой системы. При постоянной температуре это давление - фиксированная величина, его можно вычислить через константу равновесия, используя термодинамические функции веществ. В случае Т=const нужно заменить двойку в выражении правила фаз на единицу ( С + Ф = К + 1, см.вывод правила фаз ), тогда получим, что число степеней свободы данной системы при постоянной температуре С=0.

Приведенные выше рассуждения справедливы для любой двухкомпонентной системы, в которой находятся в равновесии три фазы, одна из которых - газообразная. При постоянной температуре давление газа в такой системе есть величина постоянная и не зависит от соотношения фаз.

Пример 5. Хлорид аммония в равновесии с продуктами его диссоциации представляет однокомпонентную систему (К=1, см. Пример 3) с двумя фазами (Ф=2): твердой - NH4Cl(тв.), и газообразной - смесь NH3(газ) и HСl(газ). Применив к данной системе правило фаз, получим число степеней свободы С=1. Это означает, что для описания химического равновесия (5) в нашем случае достаточно одной переменной. Константа равновесия имеет вид:

поскольку pNH3 = pHCl = р/2 ( р = (pNH3 + pHCl) - общее давление продуктов диссоциации). Таким образом, Кр = f(p,T), но только один из аргументов функции является независимым. Выбирая, как и в предыдущем примере, в качестве независимого параметра температуру, получим p=f(T), т.е. давление продуктов диссоциации в рассматриваемой системе однозначно определяется температурой.

Добавление в систему одного из продуктов диссоциации, например, HСl(газ), кардинально меняет ситуацию. Несмотря на то, что число фаз остается прежним - Ф=2, данную систему уже нельзя считать однокомпонентной, число компонентов становится равным К=2 (см. Пример 3). Это приводит и к увеличению числа степеней свободы, теперь С=2. Поскольку в данной системе pNH3 pHCl, для выражения константы равновесия через общее давление газообразных продуктов, придется выразить парциальные давления аммиака и хлороводорода через их мольные доли: pHCl = p . x, pNH3=p . (1-x) (здесь х - мольная доля хлороводорода в газовой смеси). Отсюда константа равновесия будет иметь следующий вид:

Таким образом, константа есть функция 3 переменных - Kp = f(p,x,T), но только две из них являются независимыми. Выбирая в качестве таковых состав газовой фазы (х) и температуру (Т), получим p = f(x,T). Выбранные нами переменные однозначно определяют состояние данной системы.

Зафиксировав температуру, мы уменьшим число степеней свободы до С=1. Это означает, что из двух оставшихся переменных - р, х, только одна является независимой, т.е. p = f(x). Полученный нами вывод проливает свет на один замечательный экспериментальный факт: добавление одного из продуктов диссоциации, например HCl, к системе, содержащей твердый NH4Cl и продукты его испарения, при постоянной температуре, изменяет общее давление в системе. Это не так в случае системы из CaCO3, CaO и CO2 при постоянной температуре, которая рассматривалась в предыдущем примере. Добавление избытка СО2 приводит к реакции его с оксидом кальция с образованием СаСО3, и давление в системе (определяемое давлением СО2) возвращается к первоначальному состоянию.

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору

Термодинами́ческая фа́за — термодинамически однородная по составу и свойствам часть термодинамической системы, отделенная от других фаз поверхностями раздела, на которых скачком изменяются некоторые свойства системы. Другое опеределение: Фаза — гомогенная часть гетерогенной системы. В однокомпонентной системе разные фазы могут быть представлены различными агрегатными состояниями или разными полиморфными модификациями вещества. В многокомпонентной системе фазы могут иметь различный состав и структуру.

Содержание

Основные понятия

Газ всегда состоит из одной фазы, жидкость может состоять из нескольких жидких фаз разного состава (Ликвация, жидкостная несмешиваемость), но двух разных жидкостей одного состава в равновесии сосуществовать не может. Вещество в твердом состоянии может состоять из нескольких фаз, причем некоторые из них могут иметь одинаковый состав, но различную структуру (полиморфные модификации, аллотропия).

Разные фазы обладают различными вариантами упаковки молекул (для кристаллических фаз, различными кристаллическими решетками), и, следовательно, своими характерными значениями коэффициента сжимаемости, коэффициента теплового расширения и прочими характеристиками. Кроме того, различные фазы могут обладать разными электрическими (сегнетоэлектрики), магнитными (ферромагнетики), и оптическими свойствами (например, твёрдый кислород).

Термодинамические фазы на фазовой диаграмме

На фазовой диаграмме вещества различные термодинамические фазы занимают определённые области. Линии, разделяющие различные термодинамические фазы, называются линиями фазового перехода. Если вещество находится в условиях, отвечающих точке внутри какой-либо области, то оно полностью находится в этой термодинамической фазе. Если же состояние вещества отвечает точке на одной из линий фазовых переходов, то вещество в термодинамическом равновесии может находиться частично в одной, а частично в другой фазе. Пропорция двух фаз определяется, как правило, полной энергией, запасённой системой.

При медленном (адиабатическом) изменении давления или температуры вещество описывается движущейся точкой на фазовой диаграмме. Если эта точка в своём движении пересекает одну из линий, разделяющих термодинамические фазы, происходит фазовый переход, при котором физические свойства вещества меняются скачкообразно.

Не все фазы полностью отделены друг от друга линией фазового перехода. В некоторых случаях эта линия может обрываться, оканчиваясь критической точкой. В этом случае возможен постепенный, а не скачкообразный переход из одной фазы в другую, в обход линии фазовых переходов.

Точка на фазовой диаграмме, где сходятся три линии фазовых переходов, называется тройной точкой. Обычно под тройной точкой вещества подразумевается частный случай, когда сходятся линии плавления, кипения и сублимации, однако на достаточно богатых фазовых диаграммах может быть несколько тройных точек. Вещество в тройной точке в состоянии термодинамического равновесия может частично находиться во всех трёх фазах. На многомерных фазовых диаграммах (то есть если кроме температуры и давления присутствуют иные интенсивные величины) могут существовать четверные и т. д. точки.

Термодинамические фазы и агрегатные состояния вещества

Набор термодинамических фаз вещества обычно значительно богаче набора агрегатных состояний, т.е. одно и то же агрегатное состояние вещества может находиться в различных термодинамических фазах. Именно поэтому описание вещества в терминах агрегатных состояний довольно огрублённое, и оно не может различить некоторые физические разные ситуации.

Богатый набор термодинамических фаз связан, как правило, с различными вариантами порядка, которые допускаются в том или ином агрегатном состоянии.

  • В газообразном состоянии вещество не обладает никаким порядком. Соответственно, в газообразном состоянии любое вещество обладает только одной термодинамической фазой. (Фазовые переходы типа диссоциации молекул или ионизации являются, по определению, переходами одного вещества в другое).
  • Жидкость обладает трансляционным порядком, но, как правило, не обладает ориентационным порядком. В результате у одной и той же жидкости могут быть разные термодинамические фазы, однако количество их редко превышает единицу. Так, например, существование новой жидкой фазы обнаружено в переохлаждённой воде. Другой, специфический, пример: сверхтекучее состояние в жидком гелии.
  • Кристаллическое твёрдое тело обладает как трансляционным, так и ориентационным порядком. В результате даже возникает большое число возможных вариантов ориентации соседних молекул друг относительно друга, которые могут оказаться энергетически выгодными при тех или иных давлении и температуре. В результате твёрдые тела обладают, как правило, достаточно сложной фазовой диаграммой. Например, фазовая диаграмма такого, казалось бы, простого вещества, как лёд, насчитывает по крайней мере 12 термодинамических фаз, реализующихся при различных температурах и давлениях.

Выделение фаз

Выделение фаз — превращение гомогенной системы в двухфазную (или с числом фаз более двух) широко используется в науке и технике.

Кристаллизация позволяет получать чистые вещества.

При высоких давлениях может наблюдаться такое явление, как расслоение в системе газ — газ. На возможность существования гетерогенного равновесия в газовой смеси выше критической температуры было указано ещё Ван-дер-Ваальсом и затем она была проанализирована Камерлинг-Оннесом и Кеезомом. Экспериментальное доказательство наличия такого явления было впервые получено на примере системы аммиак — азот в 1941 г. В начале предполагалось, что ограниченная взаимная растворимость наблюдается лишь в газовых смесях, содержащих полярный компонент (аммиак, сероводород). Однако впоследствии было установлено расслоение смесей гелий — диоксид углерода, гелий — этилен и гелий — пропан. В системе гелий — этилен существование поверхности раздела фаз при ограниченной взаимной растворимости газов было подтверждено визуальными наблюдениями и фотографированием мениска между двумя газовыми фазами. При расслоении смеси газов иногда наблюдается так называемое баротропное явление — перемена местами двух сосуществующих фаз при увеличении давления. К примеру, в двойной системе NH3(ж.) — N2(г.) фаза, более богатая аммиаком имеет большую плотность. Однако при расслоении смеси (90 °C, 1800 ат (~1,84 кбар)) фаза, более богатая аммиаком имеет уже меньшую плотность и поднимается вверх. [1]

Во первых, что такое вещество? Это понятие можно понять из противопоставления "вещества" "полю", из которых состоит вся материя во Вселенной .

Вещество -это все, что можно остановить, локализовать в пространстве, т.е. связать с ним инерциальную систему отсчета, в которой оно покоится. В это определение входят элементарные частицы - протоны, нейтроны, электроны и др., атомы, молекулы и все, что из них состоит.

Поле невозможно остановить. Оно существует везде и всегда и распространяется с максимальной скоростью - скоростью света. Остановить ее невозможно. Покой ему только снится. С помощью полей вещество взаимодействует между собой. Примеры - электромагнитное и гравитационное поля.

В физике различают четыре состояния вещества . Наиболее известные - это твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Почти любое вещество можно перевести в эти состояния надлежащим подбором давления и температуры. При низких температурах вещество обычно находится в твердом состоянии. При повышении температуры до определенного значения твердое вещество превращается в жидкость, а при дальнейшем повышении температуры превращается в газ. Ну а при дальнейшем повышении температуры превращается в плазму. При этом фазовое превращение из одного состояния в другое происходит скачкообразно: весьма малое изменение давления и/или температуры приводит к конечному изменению ряда свойств вещества (например, плотности, энтальпии, теплоёмкости и др.).

При понижении температуры эти состояния проходятся в обратном порядке. При температурах ниже Т ᵏ можно газы конденсируются и переходят в другое агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). Процессы конденсации газов, особенно сжижение газов, имеют важное техническое значение.

Возможную область существования фазовых состояний вещества удобно графически изобразить в переменных: давление – температура: P – Т . При температурах ниже критической Т ᵏ эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки)/парообразования. Это означает, что при любом давлении ниже критического P ᵏ существует температура Т , определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. Газ в этих состояниях обычно называют паром вещества (см. рисунок):

Здесь представлены упрощенно графически фазовые состояния всем известного вещества – воды. На графике имеется особая точка – точка A: (Tᵏ, Pᵏ) – которая соответствует так называемой "тройной точке воды". При этих параметрах вода в колбе может находиться одновременно в трех состояниях – твердом, жидком и газообразном. При отклонении параметров от этой точки вода может находиться лишь в одном состоянии. В "угле" (или треугольнике) CAD вода находится в жидком состоянии, в части CAB – в состоянии льда, в части DAB (правая нижняя часть) - в газообразном состоянии. Линия "ab" соответствует нормальным условия существования воды на Земле, при которой вода при температурах ниже 0 С° существует в фазе льда, от 0 С° до 100 С° - в жидкой фазе, а выше – в газообразном состоянии (пар).

Здесь представлены упрощенно графически фазовые состояния всем известного вещества – воды. На графике имеется особая точка – точка A: (Tᵏ, Pᵏ) – которая соответствует так называемой "тройной точке воды". При этих параметрах вода в колбе может находиться одновременно в трех состояниях – твердом, жидком и газообразном. При отклонении параметров от этой точки вода может находиться лишь в одном состоянии. В "угле" (или треугольнике) CAD вода находится в жидком состоянии, в части CAB – в состоянии льда, в части DAB (правая нижняя часть) - в газообразном состоянии. Линия "ab" соответствует нормальным условия существования воды на Земле, при которой вода при температурах ниже 0 С° существует в фазе льда, от 0 С° до 100 С° - в жидкой фазе, а выше – в газообразном состоянии (пар).

Примеры веществ в различных фазовых состояниях в нормальных (и не только) условиях:

Твердое – это железо, камень, дерево. И много-много других веществ. Твердое тело сохраняет свои объем и форму.

Жидкое – вода. Жидкое тело сохраняет свой объем, но форму не сохраняет. Другие виды жидкости в природе в готовом виде практически не встречаются. Но они есть. Например, топлива на основе бензина, керосина, дизтоплива и нефти для автомобилей, самолетов, вертолетов, морских и речных судов. Также котельных и тепловых электростанций. Жидкое железо – мы знаем, что в мартеновских печах выплавляется железо, и разливается по формам в жидком виде. Есть металл "ртуть" – при комнатной температуре ртуть находится в жидком состоянии. Ее можно встретить в градусниках. Свинец, олово – их достаточно легко можно перевести в жидкое состояние путем нагрева в формах на газовой плите или паяльником.

Газообразное – воздух. Атмосферный воздух на самом деле состоит из смеси множества газообразных веществ. В основном это азот, кислород, углекислый газ. В газовой плите и других газовых приборах, в двигателях автомобилей сжигается газ "пропан", "бутан" и др. При грозе мы можем ощутить особый, свежий запах – это от наличия в воздухе газа "озон". Есть еще много других пахучих и не пахучих газов

Газообразное вещество не сохраняет свой объем и форму. Поэтому газ полностью заполняет сосуд, в который его поместили, и оказывает давление на боковую поверхность этого сосуда, и для такого давления выполняется закон Паскаля, утверждающий, что давление в любом месте покоящейся газа по всем направлениям одинаково, и это давление одинаково передается по всему объему газа. В законе Паскаля вес газа не учитывается.

Еще одно, довольно редкое, состояние - это плазма . Реально плазменное состояние вещества – это газ. Но особый газ. Ее составляющими являются не просто молекулы, а ионизированные молекулы. В естественном состоянии, таком, чтобы ее можно было ощутить, ее не существует. Но она существует в природе.

Самый близкий человеку пример плазмы – это состояние ствола молнии при грозе. В нем температура настолько высока, что молекулы воздуха разделяются на две составляющие – электрон и ионизированный остаток от потери электрона. В результате электроны, ускоренные огромным электрическим полем, устремляются к Земле, образуя мощный электрический ток.

Еще один известный многим пример плазменного состояния вещества – это Солнце. Вещество Солнца находится в плазменном состоянии с температурой выше 6000 С°.

Перечислю еще несколько примеров плазменного состояния вещества. Ядерный, термоядерный взрыв, термоядерный реактор, синхрофазотрон и другие ускорители элементарных частиц.

Антипример . Плазма крови – это, конечно, не плазменное состояние вещества. Это просто так назвали субстанцию, выделяемую из крови.

Если хотите узнать, что обозначает слово или словосочетание, в ОПЕРЕ выделите это слово(сочетание), нажмите правую клавишу мыши и выберите "Искать в . ", далее - "Yandex". Если это текстовая ссылка – выделите ее, нажмите правую клавишу мыши, выберите "перейти …". Все! О-ля-ля!

Если вам понравилась статья, то поставьте "лайк" и подпишитесь на канал! Если не понравилась – все равно комментируйте и подписывайтесь. Этим вы поможете каналу. И делитесь ссылками в ваших соцсетях!

Попробую объяснить. Строгого научного определения я не помню, скажу своими словами. Фаза - это однородная область сложной системы, отграниченная от других фаз поверхностью раздела фаз. Понятнее будет на примерах. Возьмем пустой сосуд из идеально инертного материала. Сам сосуд учитывать не будем. Так, вот, представим, что сосуд заполнен воздухом. Тогда в сосуде содержится одна фаза - воздух, так как он однороден. Хотя воздух состоит из смеси различных газов (для простоты будем считать, что он состоит только из азота, кислорода и аргона) . Так вот, в данной ситуации веществ 3, а фаза одна - газовая, так как все вещества, содержащиеся в воздухе равномерно перемешаны и из какой бы точки объема мы ни отобрали пробу, состав будет одинаковым. Теперь насыплем в сосуд железных опилок. Теперь у нас в сосуде 4 вещества и две фазы, так как появилась твердая фаза (все железные частички считаются одной фазой, так как все они имеют одинаковый состав) . Теперь добавим порошок мела (все частички мела считаются одной фазой) . Стало веществ 5, фаз - 3, газовая и 2 твердые фазы - железо и мел.
Теперь снова возьмем пустой сосуд, создадим в нем идеальный вакуум, и каким-то образом ухитримся поместить в сосуд кусочек льда. Часть льда испарится, и в сосуде будет 1 вещество и 2 фазы - твердая (лед) и газовая (или паровая) , состоящая из паров воды. Подогреем сосуд, часть льда расплавится. Теперь у нас в сосуде три фазы - твердая, жидкая и газообразная, хотя все они состоят из 1 вещества. Когда весь лед расплавится, останется 2 фазы - жидкая и газовая. Теперь добавим в сосуд немного соли, чтобы она вся растворилась. Теперь у нас 2 вещества (вода и соль) и 2 фазы - водный раствор соли и газовая, состоящая только из паров воды. Добавим столько соли, что она вся не растворится. Теперь у нас по-прежнему 2 вещества, но уже 3 фазы - твердая (соль) , жидкая (насыщенный раствор соли) и газовая (пары воды) . Добавим железных опилок. Никакой химической реакции не произойдет, веществ станет 3, а фаз 4 - 2 твердые, одна жидкая и газовая. Теперь добавим в сосуд гексан. Будем считать, что он не растворяется в воде. Тогда он образует еще одну жидкую фазу. Теперь у нас 4 вещества и 5 фаз - 2 твердые, две жидкие и газовая, которая содержит пары воды и гексана. Теперь добавим силиконовое масло (оно не растворяется ни в воде, ни в гексане, и для простоты будем считать, что не испаряется) . Теперь у нас 5 веществ и 6 фаз (две твердые, три жидкие и одна газовая) . Если мы все хорошо перемешаем, то жидкие фазы разобьются на мелкие капли, такое состояние называется эмульсией. Но, по-прежнему все капельки гексана считаются одной фазой, все капельки силиконового масла - одной фазой и все капельки насыщенного раствора соли в воде - одной фазой. Таким образом, число фаз осталось 6 - две твердые, три жидкие и одна газовая. Надеюсь, написал достаточно понятно.

Агрегатные состояния вещества - состояния одного и того же вещества в различных интервалах температур и давлений.
Основными агрегатными состояниями вещества считают газообразное, жидкое и твердое состояния, переходы между которыми обычно сопровождаются скачкообразными изменениями плотности, энтропии и других физических свойств. Четвертым агрегатным состоянием вещества считают плазму.
Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении его молекул/атомов и в их взаимодействии.

и еще добавлю, зависит от температуры и давления.
например, недавно ученые выяснили, что ледники в Антарктиде растут не только благодаря осадкам, но и снизу вверх. лента

Испарение жидкости или плавление твердого тела относятся к категории процессов, которые называются в физике фазовыми переходами. Характерной особенностью этих процессов является их скачкообразность. Так, при нагревании льда его тепловое состояние меняется постепенным образом до момента, когда, по достижении температуры 0° С, лед внезапно начинает превращаться в жидкую воду, обладающую совершенно другими свойствами.

Состояния вещества, между которыми происходит фазовый переход, называются его фазами. В этом смысле различными фазами являются агрегатные состояния вещества: газообразное, жидкое и твердое. Так, лед, жидкая вода и пар — фазы воды. Понятие фаз, однако, является более широким, чем понятие об агрегатных состояниях; мы увидим, что могут существовать различные фазы и в пределах одного и того же агрегатного состояния.

Необходимо подчеркнуть, что, говоря о твердом состоянии как об особой фазе вещества (отличной от жидкой фазы), мы имеем в виду лишь твердое кристаллическое состояние. Аморфное твердое тело превращается при нагревании в жидкость путем постепенного размягчения, без всякого скачка (об этом уже говорилось в § 52); поэтому аморфное твердое состояние не представляет собой особой фазы вещества. Так, не являются различными фазами твердое и жидкое стекло.

Переход из одной фазы в другую происходит (при заданном давлении) всегда при строго определенной температуре. Так (при атмосферном давлении), лед начинает плавиться при 0° С и при дальнейшем нагревании температура остается неизменной вплоть до момента, когда весь лед превратится

в веду. В течение этого процесса лед и вода существуют одновременно, соприкасаясь друг с другом.

Здесь проявляется другой аспект температуры фазового перехода: это есть та температура, при которой имеет место тепловое равновесие между двумя фазами. В отсутствие внешних воздействий (в том числе подвода внешнего тепла) две фазы при этой температуре сосуществуют неограниченно долго. Напротив, при температурах выше или ниже точки перехода может существовать лишь одна — та или другая — из фаз. Так, при температуре ниже 0е С может существовать (при атмосферном давлении) только лед, а выше ОС — только жидкая вода.

При изменении давления меняется и температура фазового перехода. Другими словами, фазовый переход имеет место при строго определенной зависимости между давлением и температурой вещества. Эту зависимость можно изобразить графически в виде кривой на так называемой фазовой диаграмме (или диаграмме состояний), на осях координат которой откладываются давление р и температура Т.


Будем, например, говорить для определенности о фазовом переходе между жидкостью и ее паром. Кривая фазового перехода (или, как говорят в этом случае, кривая испарения) определяет условия, в которых жидкость и пар могут сосуществовать в равновесии друг с другом. Кривая разделяет плоскость на две части, из которых одна соответствует состояниям одной, а другая — состояниям другой фазы (рис. 1). Так как в данном случае при заданном давлении более высоким температурам соответствует пар, а более низким температурам — жидкость, то область справа от кривой соответствует газообразной, а область слева — жидкой фазе. Точки же самой кривой отвечают, как уже указывалось, состояниям, в которых существуют одновременно обе фазы.

Фазовую диаграмму можно изобразить не только в плоскости р, Т, но и в других координатах — р, V или Т, V, где V — объем, отнесенный к какому-либо определенному количеству вещества. Будем, например, понимать под V

удельный объем, т. е. объем одного грамма вещества (при этом 1/V есть плотность вещества).

Рассмотрим фазовую диаграмму в плоскости V, Т. Пусть мы имеем газ с удельным объемом и температурой, соответствующими некоторой точке а на рис. 2. Если сжимать газ при неизменной температуре, то точка, изображающая его состояние, будет передвигаться влево по прямой, параллельной оси V. При некотором определенном давлении, которому соответствует удельный объем VT (точка А), начнется конденсация газа в жидкость. С дальнейшим сжатием системы количество жидкости будет возрастать, а количество газа — уменьшаться и, наконец, при достижении определенной точки В все вещество станет жидким с удельным объемом V1K.


Удельные объемы полу чающихся друг из друга газа (VT) и жидкости (*/ж) являются функциями от температуры, при которой происходит переход. Изобразив эти две функции соответствующими кривыми, мы получим фазовую диаграмму изображенного на рис. 2 вида. Области диаграммы справа и слева от заштрихованной части соответствуют газообразной и жидкой фазам. Заштрихованная же область между обеими кривыми есть область расслоения на две фазы. Горизонтальная штриховка этой части диаграммы имеет определенный смысл: точки А и В пересечения горизонтальной прямой, проведенной через некоторую точку С этой области, определяют удельные объемы сосуществующих в этой точке жидкости и пара.


Различные точки отрезка АВ соответствуют, очевидно, равновесию одних и тех же жидкости и пара, но в различных относительных количествах. Обозначим относительные количества пара и жидкости в некоторой точке С через х и 1—х. Тогда общий объем системы (отнесенный к 1 г) будет равен


откуда Отношение этих величин


Мы видим, что количества пара и жидкости обратно пропорциональны длинам отрезков от точки С до точек А и В, соответствующих чистым пару и жидкости (это соотношение называют правилом рычага).

Совершенно аналогичным образом выглядит фазовая диаграмма, в которой на оси ординат откладывается давление, а не температура. Мы видим, что эти диаграммы не похожи по своему виду на диаграммы в плоскости р, Т. Область расслоения на две фазы, сжатая на диаграмме р, Т в одну линию, на диаграммах V, Т или V, р превращается в целую область. Происхождение этого отличия связано с тем, что находящиеся в равновесии фазы непременно имеют одинаковые температуры и давления, согласно общим условиям всякого теплового равновесия; удельные же объемы этих фаз различны.


Приведем здесь небольшую таблицу температур плавления и кипения некоторых веществ (при атмосферном давлении).

Из всех существующих в природе веществ гелий превращается в жидкость при наиболее низкой температуре (о затвердевании гелия будет идти речь в § 72). Из всех химических элементов вольфрам имеет наиболее высокие точки плавления и кипения.

Читайте также: