Заказ №38812

1. Построить диаграмму состояния однокомпонентных систем на примере воды и дать ей характеристику. Указать на диаграмме с помощью точек, когда система моновариатная, бивариантная, инвариантная. Обосновать каждую точку с помощью правила фаз Гиббса. Может ли данная система быть тривариантной? 2. Построить диаграмму состояния однокомпонентных систем на примере углекислого газа и дать ей характеристику. Указать на диаграмме с помощью точек, когда система моновариантная, бивариантная, инвариантная. Обосновать каждую точку с помощью правил фаз Гиббса. Может ли данная система быть тривариантной? 3. Построить диаграмму состояния однокомпонентных систем на примере серы и дать ей характеристику. Указать на диаграмме с помощью точек, когда система моновариантная, бивариантная, инвариантная. Обосновать каждую точку с помощью правила фаз Гиббса. Может ли данная система быть тривариантной?

Решение:

На фазовых диаграммах однокомпонентных систем поля, по правилу фаз, соответствуют однофазным состояниям, линии, разграничивающие их — двухфазным, точки пересечения линий — трёхфазным (эти точки называют тройными точками). Двухфазные линии, как правило, либо соединяют две тройные точки, либо тройную точку с точкой на оси ординат, отвечающую нулевому давлению. Исключение составляет линия жидкость-газ, заканчивающаяся в критической точке. При температурах выше критической различие между жидкостью и паром исчезает. Разность между числом независимых переменных и числом уравнений равна числу произвольно изменяемых параметров в данной системе, меняя которые можно не менять число фаз в ней. Эти переменные называют степенью свободы: f= Ф (n-1) +2 – n*(Ф-1) или f= n – Ф +2, то есть число степеней свободы равно числу компонентов минус число фаз плюс два. Это есть правило фаз Гиббса. Степени свободы определяют число переменных, меняя которые можно не менять агрегатное состояние вещества в системе. Если свойства вещества в системе зависят и от других переменных, таких как заряд частиц, поверхностное натяжение, координационное число и другие, тогда в последнее выражение вводят вместо двойки общее число переменных «k» и правило фаз Гиббса запишется в такой форме: f= n – Ф +k. Число фаз в системе максимально, если f=0. Тогда для однокомпонентной системы 0=1 – Ф +2 число фаз будет равно 3. Система, в которой отсутствуют степени свободы, называется уникальной или инвариантной. Системы с одной- двумя степенями свободы называют моно- и бивариантными. 796 Правило фаз для однокомпонентной системы Для однокомпонентной системы (К=1) правило фаз записывается в виде С = 3-Ф Если Ф = 1, то С =2 , говорят, что система бивариантна; Ф = 2, то С =1 , система моновариантна; Ф = 3, то С =0 , система нонвариантна (инвариантна). Соотношение между давлением (р), температурой (Т) и объемом (V) фазы можно представить трехмерной фазовой диаграммой. Каждая точка (ее называют фигуративной точкой) на такой диаграмме изображает некоторое равновесное состояние. Обычно удобнее работать с сечениями этой диаграммы плоскостью р - Т (при V=const) или плоскостью р -V (при T=const). Разберем более детально случай сечения плоскостью р - Т (при V=const). 1. Фазовая диаграмма воды Фазовая диаграмма воды в координатах р - Т представлена на рис.1. Она составлена из 3 фазовых полей - областей различных (р,Т)-значений, при которых вода существует в виде определенной фазы - льда, жидкой воды или пара ( обозначены на рис.1 буквами Л, Ж и П, соответственно). Эти фазовые поля разделены 3 граничными кривыми. Кривая АВ - кривая испарения, выражает зависимость давления пара жидкой воды от температуры (или, наоборот, представляет зависимость температуры кипения воды от давления). Другими словами, эта линия отвечает двухфазному равновесию (жидкая вода) D (пар), и число степеней свободы, рассчитанное по правилу фаз, составляет С = 3 - 2 = 1. Такое равновесие называют моновариантным. Это означает, что для полного описания системы достаточно определить только одну переменную - либо температуру, либо давление, т.к. для данной температуры существует только одно равновесное давление и для данного давления - только одна равновесная температура. При давлениях и температурах, соответствующих точкам ниже линии АВ, жидкость будет полностью испаряться, и эта область является областью пара. Для описания системы в данной однофазной области необходимы две независимые переменные (С = 3 - 1 = 2): температура и давление. При давлениях и температурах, соответствующих точкам выше линии АВ, пар полностью сконденсирован в жидкость (С = 2). Верхний предел кривой испарения AB находится в точке В, которая называется критической точкой (для воды 374o С и 218 атм.). Выше этой температуры фазы жидкости и пара становятся неразличимыми (исчезает четкая межфазная граница жидкость/пар), поэтому Ф=1. Линия АС - эта кривая возгонки льда (иногда ее называют линией сублимации), отражающая зависимость давления водяного пара надо льдом от температуры. Эта линия соответствует моновариантному равновесию (лед) D (пар) (С=1). Выше линии АС лежит область льда, ниже - область пара. Линия АD - кривая плавления, выражает зависимость температуры плавления льда от давления и соответствует моновариантному равновесию (лед) D (жидкая вода). Для большинства веществ линия АD отклоняется от вертикали вправо, но поведение воды аномально: жидкая вода занимает меньший объем, чем лед. На основании принципа Ле Шателье можно предсказать, что повышение давления будет вызывать сдвиг равновесия в сторону образования жидкости, т.е. точка замерзания будет понижаться.