Реферат Тақырыбы: «Гиббстің фазалар ережесі. Біркомпонентті жүйелер.»
жүктеу/скачать 22,12 Kb.
|
реферат фазалар ережесі
- Бұл бет үшін навигация:
- Орындаған: Хуаныш Нургул ХЕ-31 студенті Тексерген: Жорабеков Рысқұлбек Нұрлыбекұлы физикалық және аналитикалық кафедрасының оқытушысы.
- Қарағанды 2023
|
Е.А.Бөкетов атындағы Қарағанды университеті Химия факультеті Реферат Тақырыбы: «Гиббстің фазалар ережесі. Біркомпонентті жүйелер.» Орындаған: Хуаныш Нургул ХЕ-31 студенті Тексерген: Жорабеков Рысқұлбек Нұрлыбекұлы физикалық және аналитикалық кафедрасының оқытушысы. Қарағанды 2023 Кіріспе. Фазалар ережесі, фазалар заңы – тепе-теңдік күйдегі кез келген жүйе үшінфазалар саны (φ) мен варианттылық санының (v) қосындысы, компоненттер (құраушылар) саны (k) мен сол жүйенің тепе-теңдік күйін анықтайтын параметрлер санының (n) қосындысына тең болатын термодинамикалық қатыс: φ + v = k + n Бұл кезде күй параметрлері: температура (T), қысым (P), электр және магнит өрістерінің кернеуліктері т.б. барлық фазада бірдей болуы керек. Егер жүйе күйі тек температура (T) мен қысымның (P) әсерінен ғана өзгеретін болса, онда фазалар ережесі төмендегіше жазылады. v = k + 2+ φ Конденсацияланған жүйе үшін (мысалы, металдар қоспасы қысымының шамасы не тұрақты, не өзгеріп ( бірақ ол өзгерістің шамасы өте аз болғандықтан, жүйенің тепе-теғдік күйіне әсер) болмайды) отырады.Мұндай жағдайда фазалар ережесін v = k + 1- φ түрінде жазуға болады; жүйе қысымы айнымалы, ал температурасы тұрақты болған кезде фазалар ережесінің соңғы түрі анықталады. Фазалар ережесін Дж.Гиббс тұжырымдаған (1876). Бұл ережені 19-ғ-ң соңғы кезі мен 20-ғ-ң бас кезінде голландия ғалымы Я. Вант-Гофф, нидерланды ғалымы Х. Розебом, сондай-ақ совет ғалымы Н.С. Курнаков т.б. өздерінің зерттеу жұмыстарында кеңінен пайдаланды. Фазалар ережесінің гетерогенді (әр текті) жүйелерін зерттеу үшін зор маңызы бар. Негізгі бөлім. Қазіргі фазалар санына сәйкес жүйелер біртекті болып бөлінеді (бір Фазадан түзілген) және гетерогенді (құрамында бірнеше фазалар бар). Фаза-бұл бірдей құраммен сипатталатын жүйенің бөлігі, сыртқы күштер мен өрістер болмаған кезде физикалық және химиялық қасиеттері бөлімнің физикалық бетімен шектелген. Жалпы алғанда, фаза-бұл таза затттың макроскопиялық түрі немесе белгілі бір агрегаттық күйдегі зат немесе шынайы ерітінді. Фаза оның белгілі бір түрлерін көбейтетін микробөлшектердің үлкен жиынтығы физикалық және химиялық қасиеттеріне құрылады. Жүйе кеңістігінде фаза бір бөлікті (жабық аймақ)алуы мүмкін немесе көптеген бөліктерге бөлінуі мүмкін. Мысалы, кейбір тұздың барлық кристалдары, ұнтақ түрінде бір қатты фазаны құрайды. "Фаза" термині "Заттың агрегаттық күйі" терминімен сәйкес келмейді, жүйеде бір агрегаттық күйде әртүрлі фазалар болуы мүмкін. Бұған көз жеткізу оңай. Ол үшін мұны бір стаканға аздап су мен өсімдік майын ағызып екеуінің әр түрлі сұйық фазалар екенін көруге болады. Гетерогенді жүйеде қатар өмір сүретін әртүрлі фазалар, физикалық беттің бойымен бір – бірімен байланысады. Оны фазалық интерфейс деп атаймыз. (ол "фазааралық шекара", "фазалық байланыс шекарасы"). Тепе-теңдік жүйесіндегі фазалар саны ерікті бола алмайды, ол жүйенің табиғаты және термодинамикалық күй параметрлерінің мәндері арқылы анықталады . Термодинамикалық параметрлер өзгерген кезде жүйедегі тепе-теңдік фазаларының саны өзгеруі мүмкін. Кристалдану мен балқу үдерісін түсіну үшін, металл қорытпаларының суыну мен қыздыру қисық сызықтарының және күй диаграммасының дұрыстығын тексеру үшін, фазалар ережесін қолданады. Фазалар ережесі жүйенің фаза, компонент және еркіндік дәрежесі арасындағы сандық байланысын орнатады. Жүйенің еркіндік_ дәрежесінің саны (варианттылығы) деп жүйенің фаза санын өзгертпей, күйін өзгерте алатын сыртқы және ішкі себептердің санын айтады (температура, қысым, концентрация). Еркіндік дәрежесі (С) мына формуламен анықталады: C= К+Р-А мұндағы: К — компоненттер саны; Р — тепе-теңдіктің сыртқы өзгермелі факторлар саны; Ф — фазалар саны. Сыртқы факторларға температура мен қысым жатады. Металл қорытпаларында барлық түрленіп, айналулар түрақты атмосфералық қысымда өтеді де, сыртқы факторға температура ғана жатады. Сондықтан фазалар ережесі бұл жағдайда былай жазылады: С=К+1-Ф. Еркіндік дәрежесі нөлден аз болмайтындықтан, К-Ф + 1>0. Одан Ф = К + 1 шығады. Яғни тепе-теңдік күйдегі қорытпадағы фазалар саны компоненттер саны плюс бірден аспайды. Онда екі компоненттен тұратын жүйеде тепе-теңдік күйде үш фаза ғана болуы мүмкін, ал үш компоненттік жүйеде төрт фаза болады. Егер тепе-теңдікте фаза саны ең көп болса, онда С = 0. Мұндай тепе-теңдік нонвариантты (вариантсыз) деп аталады. Нонварианттық тепе-теңдікте қорытпа белгілі бір шартта: тұрақты температурада және барлық фазалардың белгілі бір құрамында ғана бола алады, яғни түрлену қандай да бір тұрақты температурада басталып, аяқталады. Мысалы, таза металл — қатаю температурасында екі фазадан (сұйық және қатқан металл) түратын бір компоненті жүйе. Бұл жағдайда жүйе ионвариантты: С=1 + 1-2 = 0. Яғни қатаю үдерісі тұрақты температурада жүреді. Егер фазалар саны ең үлкен шамадан бірге кемісе, еркіндік саны бір санына өседі (С =1). Мұндай жүйе моновариантты (бір вариантты) деп аталады. Мысалы, екі компонентті қорытпа екі фазадан тұратын болса (С = 7), яғни сыртқы факторын — фазалар санын өзгертпей, тепе-теңдіктің сыртқы факторы — температураны белгілі бір шекте өзгертуге болады. Мұндай қорытпа температура аралығында қатады. Еркіндік дәрежелерінің саны F (күй варианты) сыртқы факторлардың әсерінен тепе-теңдік термодинамикалық жүйе тек қысым мен температура тәуелсіз компоненттер санына тең к минус тепе-теңдік фазаларының санына Ф қосу екі. 𝑓 = 𝐾 − Ф + 2 Тепе-теңдік күйіндегі жүйенің еркіндік дәрежелерінің саны нөлге тең болуы мүмкін (инвариантты күй), бірлік (моновариантты күй), екі (бивариантты мемлекет) немесе санына байланысты басқа бүтін оң тепе-теңдік фазаларының компоненттері мен сандары. Еркіндік дәрежелерінің саны-математикадан алынған термин. Егер қандай да бір жүйе болса популяциямен байланысты тәуелсіз айнымалылардың кейбір жиынтығымен сипатталады. тәуелсіз теңдеулер, мұндай жүйенің еркіндік дәрежелерінің саны болады тәуелсіз айнымалылар санының және олардың тәуелсіз теңдеулер санының айырмашылығы ретінде байланысады. Термодинамикалық жүйенің еркіндік дәрежелерінің саны да анықталады. Тәуелсіз айнымалылар санының айырмашылығы – жүйенің күйі мен санының параметрлері олардың байланысының тәуелсіз теңдеулері болып табылады. Қарапайым тұжырыммен фазалық ережелер айнымалылар ретінде екі сыртқы параметрді қолданады-температура T және қысым p, сондай – ақ барлық тепе – теңдік фазаларындағы әр компоненттің химиялық потенциалдары 𝜇 𝑗 (төменгі индекс-компонент нөмірі, жоғарғы-фазалық нөмір). Барлық фазалардың температурасы бірдей және жалпы жүйенің T температурасына тең-термиялық тепе-теңдік шарты. Барлығында қысым фазалар бірдей және жалпы жүйеде p қысымына тең-механикалық жағдай тепе-теңдік. Әр фаза үшін компоненттердің 𝐾 − 1 Химиялық потенциалын қарастыру керек, өйткені әр фазадағы соңғы компоненттің химиялық потенциалы басқа компоненттердің химиялық потенциалдары арқылы көрсетілуі мүмкін, сондықтан ол тәуелсіз айнымалы емес. Осылайша, тәуелсіз айнымалылардың жалпы саны Φ (Φ − 1) + 2 болады. Тәуелсіз байланыс теңдеулері ретінде қарапайым жағдайда химиялық тепе-теңдік шарттары қарастырылады-әр компоненттің химиялық потенциалы барлық тепе-теңдік фазаларында бірдей: 𝜇1 = 𝜇2 = 𝜇3 = ⋯ = 𝜇𝑗 = ⋯ = 𝜇Φ−1 = 𝜇Φ 1 1 1 1 1 1 𝜇1 = 𝜇2 = 𝜇3 = ⋯ = 𝜇𝑗 = ⋯ = 𝜇Φ−1 = 𝜇Φ 2 2 2 2 2 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 𝜇1 = 𝜇2 = 𝜇3 = ⋯ = 𝜇𝑗 = ⋯ = 𝜇Φ−1 = 𝜇Φ 𝑖 𝑖 𝑖 𝑖 𝑖 𝑖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 𝜇1 = 𝜇2 = 𝜇3 = ⋯ = 𝜇𝑗 = ⋯ = 𝜇Φ−1 = 𝜇Φ 𝐾−1 𝐾−1 𝐾−1 𝐾−1 𝐾−1 𝐾−1 𝜇1 = 𝜇2 = 𝜇3 = ⋯ = 𝜇𝑗 = ⋯ = 𝜇Φ−1 = 𝜇Φ 𝐾 𝐾 𝐾 𝐾 𝐾 𝐾 Көріп отырғаныңыздай, осы теңдеулер жүйесіндегі әрбір жолда Φ − 1 теңдік бар, жолдардың жалпы саны 𝐾компоненттерінің санына тең. Осылайша, байланыс теңдеулерінің жалпы саны 𝐾(Φ − 1) болады. Нәтижесінде еркіндік дәрежелерінің саны тәуелсіз айнымалылар санының және олардың байланыс теңдеулерінің санының айырмашылығы ретінде табылатын болады: 𝑓 = Φ(𝐾 − 1) + 2 − 𝐾(Φ − 1) = Φ Φ-F + 2-Φ + + + = 𝐾 - F + 2 Мұнда келтірілген фазалық Ереженің жеңілдетілген қорытындысы бір табиғи сұрақты тудыруы мүмкін: компоненттердің химиялық потенциалдарын жүйенің күйінің термодинамикалық параметрлері ретінде пайдалануға бола ма? Өйткені, бұл тұрғыда химиялық потенциалдар туралы емес, компоненттердің концентрациясы туралы айту ыңғайлы және түсінікті болар еді. Иә, бұл шынымен де солай. Бірақ бұл тәсілмен фазалық ережені шығару қиынға соғады, өйткені біз жаңа айнымалылар мен қосымша теңдеулерді қолдануымыз керек. Фазалық Ереженің мұндай тұжырымын жазбай-ақ, тек қосымша теңдеулерді атау арқылы тез қарастыруға болады. Сонымен, егер айнымалылар ретінде қысым мен температураны, сондай − ақ Φ концент арқылы көрсетілген фазалардағы компоненттердің химиялық потенциалдарын қолдансақ Φ (𝐾- 1) концентрациялар1, ал теңдеулер ретінде жоғарыда жазылған 𝐾(Φ-1) Химиялық потенциалдар теңдеулері және хим Φ химиялық потенциалдарды білдіретін теңдеулер компоненттің фазадағы потенциалы оның концентрациясы арқылы, содан кейін еркіндік дәрежелерінің саны үшін біз өрнек аламыз: 𝑓 = 2 + Φ𝐾 + Φ(𝐾 − 1) − 𝐾(Φ − 1) − 𝐾Φ = 2 + Φ(𝐾 − 1) − 𝐾(Φ − 1) = 𝐾 − Ф + 2 Біз фазалардағы компоненттердің концентрациясын және компоненттердің химиялық потенциалдарының концентрациямен байланысының теңдеулерін енгізу арқылы теңдеулер жүйесін нақтылап, фазалар ережесінің дәл осындай дұрыс өрнегін алғанымыз анық. Егер біз теңдеулер жүйесін одан әрі нақтылайтын болсақ, мысалы, фазалардағы компоненттердің белсенділігі мен белсенділік коэффициенттерін және оларды есептеу үшін теңдеулерді қарастырамыз – осылайша біз айнымалылар санын және олардың байланыс теңдеулерінің санын бір уақытта көбейтеміз, ал олардың айырмашылығы өзгеріссіз қалады. Күй параметрлеріне шектеулер қойылған кезде (оларды өзгертуге тыйым салатын) еркіндік дәрежелерінің саны санға азаяды шектеулер анизограсы болған кезде жүйе күйінің шартты нұсқасы тең: оған тең: усл усл = 𝐾 - Ф + 2-ші огр Гиббс заңы немесе фаза ережесі. Қорытпа күйі диаграммасына Гиббс заңы немесе фаза ережесін қолданады. Фаза ережесінің математикалық түрі Қорытпаның сұйық және қатты күйінің фазалар тепе-теңдігіне қысымның әсері аз болғандықтан, өзгеретін сыртқы фактор біреу-ақ, ол – температура деп есептеледі. Сонда фаза ережесі С К – Ф + 1 деп жазылады. Жүйенің еркіндік дәрежесі немесе варианттылығы деп тепе-теңдік жағдайдағы фаза санын өзгертпей, фактор (температура, қысым, концентрация) санын өзгертуді айтады. Қорытпа күйі диаграммасын салуда салқындау қисықтарының дұрыстығын тексереді. Енді А компонентінің кристалдану үрдісінде жүйенің еркіндік дәрежесі қалай өзгереді, соны қарастырайық (2.4, а -суретті қараңыз). Компонент сұйық күйде болғанда С К – Ф + 1 1 – 1 + 1 1, жүйе варианттылығы бірге тең, яғни фаза санын (Ф 1) өзгертпей, сыртқы фактор температураны өзгертуге болады. Кристалдану tА нүктесінде басталғанда, Ф 2 (сұйық және қатты фаза), С 1 – 2 + 1 0, жүйе варианттылығы нөльге тең, яғни өзгертетін фактор жоқ немесе температура тұрақты. Екі фаза (сұйық пен қатты) тұрақты бір температурада (tА) тепе-теңдікте болады. Жүйенің тепе-теңдік жағдайы Ф 1 болып, жүйе варианттылығы өзгергенше, тұрақты болып қала береді. А компонентінің кристалдану үрдісі абсцисс өсіне параллель сызықша арқылы бейнеленген. Бұл температурада – уақыт координатасында компонент тұрақты tА температурасында кристалданады деген сөз. Сонымен, фаза саны (Ф = 2) өзгерген жоқ, күй алмасу тұрақты бір температурада (С = 0) орын алды, онда tАтемпературасы дұрыс анықталған дейміз. Ендеше диаграмманың А нүктесі дұрыс табылған. ІІ қорытпаның кристалдану үрдісі t1 температурасында басталғанда, С = 2 – 2 + 1 = 1, Ф = 2. Қорытпаның осы күйі 2.4,а -суретінде көлбеу сызық болып келтірілген. Температура – уақыт координатында бұл көлбеу сызық температураның t1-ден -ке дейін белгілі бір уақыт ішінде төмендегенін көрсетеді, яғни фаза санын (Ф = 2) өзгертпей, сыртқы фактор температураны (С = 1) өзгерттік. Олай болса t1 нүктесі дұрыс анықталған. Осылайша қорытпа салқындау қисықтарын әрі қарай тексере береді. Қорытынды. Терминология тұрғысынан кез — келген ерітінді біртекті жүйе ретінде және бір фазалы біртекті жүйе ретінде, ал судағы мұз текшелері гетерогенді жүйе ретінде және екі фазалы гетерогенді жүйе ретінде бірдей дұрыс айтылады. Ең қолайлы терминді таңдау қарастырылып отырған мәселенің тұжырымына байланысты, өйткені термодинамикалық жүйе мен термодинамикалық фаза терминдеріндегі айырмашылық жүйе мен фазаны сипаттау тәсілдеріндегі айырмашылықты көрсетеді. Фазалық күй деп оны сипаттау үшін қолданылатын қарқынды айнымалылар жиынтығы түсініледі [5] [6]. Тығыздық, жылу сыйымдылығы, термиялық кеңею коэффициенті және т.б. сияқты қарқынды шамалар фазаны құрайтын жеке заттың немесе ерітіндінің термодинамикалық қасиеттерін сипаттайды. Термодинамикалық фаза ұғымын Гиббс "дененің [...] құрамы мен термодинамикалық күйіне ғана қатысты және оның шамасы немесе формасы маңызды емес терминге ие болу"мақсатымен енгізді[7][K 1] Гиббс — Дюгем теңдеуін қолдануға негізделген фазалық Ереженің тұжырымына байланысты. Бұл табиғи түрде А. В. - ға тиесілі. Сторонкин фазаны жеке зат немесе ерітінді ретінде анықтау, күй айнымалылары[9] — Гиббс — Дюгем теңдеуі немесе кез-келген канондық күй теңдеулері арасындағы байланысты білдіретін бір теңдеумен сипаттауға мүмкіндік беретін барлық мүмкін жағдайлар. Гиббс-Дюгем теңдеуіне берілген артықшылық осы теңдеудегі барлық тәуелсіз айнымалылар интенсивті шамалар болатындығына байланысты. Әр фазаның құрамы компоненттердің үлестерімен анықталады (моль немесе масса). Қарастырылып отырған фазада жоқ әрбір компоненттің үлесі нөлге тең деп есептеледі. Моль лобтарын пайдалану компоненттің моль санын есептеу кезінде бірдей формула бірлігінің барлық фазалары үшін қолдануды қажет етеді. Әдетте, фазалық тепе-теңдіктерді қарастырған кезде, гетерогенді жүйедегі химиялық түрлендірулер компоненттер санын санау кезінде ескерілгендіктен, жүйедегі химиялық реакциялар ескерілмейді[12]. Кейде термодинамикалық ғана емес, сонымен бірге заттың барлық макроскопиялық қасиеттерінің сәйкестендіру талабы "фаза" терминінің анықтамасына енгізіледі. Мысалы, оптикалық белсенді оң және солға айналатын кристалдар (кварц, бертолет тұзы және т.б.) кристаллографиялық параметрлерімен ерекшеленетін екі түрлі фаза ретінде қарастыруды ұсынады. Алайда, термодинамикалық қасиеттері бойынша мұндай заттар бірдей және дәстүрлі түрде бір фаза болып саналады. Гиббс термодинамикасы аясында заттың гетерогенді тепе-теңдігін қарастырғанда, екінші түрдегі фазалық ауысуға дейін және одан кейін бір фаза болып саналады[1]. Мысалы, ферромагниттік қасиеттері бар α-Fe (феррит) бір фаза болып саналады — Кюри нүктесінен төмен тұрақты (769 °C) Темірдің полиморфты модификациясы және α-Fe — ден магниттік қасиеттерімен ерекшеленетін β-Fe-полиморфты модификация (парамагниттік). Жүйенің термодинамикалық күйін, яғни оның қасиеттерінің бүкіл жиынтығын анықтау үшін бұл жүйені құрайтын фазалардың қасиеттерін білу жеткіліксіз: жүйенің тәуелсіз айнымалылар жиынтығында жүйенің көлемі немесе массасы сияқты кем дегенде бір экстенсивті шама ұсынылуы керек. жүктеу/скачать 22,12 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|