Правило фаз Гиббса

При взаимодействии фаз системы происходит обмен веществом и энергией; такой массо- и теплообмен идет через поверхность раздела фаз, стремясь достигнуть состояния равновесия, при котором скорость перехода из одной фазы в другую уравновесится скоростью перехода в противоположном направлении.

Система, достигнув состояния равновесия, может далее существо­вать как угодно долго без каких-либо видимых качественных и коли­чественных изменений. Это значит, что при наличии равновесия контактирующие фазы по истечении любого отрезка времени будут суще­ствовать, а их составы останутся неизменными.

Условием, необходимым для обеспечения равновесия системы, является постоянство температуры и давления во всех частях си­стемы; неравенство температуры или давления приведет к теплооб­мену и массообмену в системе и к нарушению состояния равновесия. Другим важным условием состояния равновесия является сосу­ществование фаз, т. е. их контакт; поэтому в равновесной системе всегда имеется поверхность раздела фаз. Только в результате кон­такта фаз, осуществленного на поверхности их раздела, система может прийти в состояние равновесия. Если по тем или иным причинам равновесие нарушится, система будет вновь стремиться прийти к равновесному состоянию.

Таким образом, в системе, находящейся в равновесии, не происхо­дит никакого процесса, требующего для своего осуществления тепло- и массообмена, и, следовательно, для того чтобы процесс протекал, необходимо нарушить равновесие. В частности, процесс перегонки и ректификации будет протекать только в том случае, если между сосуществующими паровой и жидкой фазами не будет состояния равновесия, что может быть достигнуто внешним воздействием на систему путем изменения хотя бы одного параметра, характеризующего состояние равновесия: температуры, давления или состава фаз.

Состояние равновесия подчиняется правилу фаз Гиббса. Математически правило фаз имеет вид: Ф + С = К + 2, где С — число степеней свободы или число независимых перемен­ных, значения которых можно произвольно менять без нарушения числа или вида (состава) фаз в системе (к ним относятся температура, давление и кон­центрация компонентов); К — число компонентов; Ф — число фаз.

Правило фаз указывает число параметров, которое можно менять произвольно при расчёте равновесия в процессах массообмена.

Для однокомпонентной системы, находящейся в паровой и жидкой фазах, число степеней свободы С = 1+ 2 - 2 = 1, т. е. из возможных независимых переменных — температуры, давления, характеризующих состояние равновесия этой системы, произвольно может быть выбран только один параметр. Для такой системы кон­центрация не является определяющим параметром, так как обе фазы системы состоят только из одного компонента.

Для двухкомпонентной системы, состоящей из паровой и одной жидкой фаз, параметрами, характеризующими ее состояние, являются температура, давление и концентрация компонентов. Следовательно, определяющими в этой системе являются уже четыре переменные величины. В соответствии с правилом фаз в этом случае произвольно могут быть выбраны две переменные величины: С = 2 + 2 - 2 = 2. Так, достаточно задаться или произвольно выбрать температуру и давление системы, чтобы тем самым определить концентрацию компонентов в равновесных паровой и жидкой фазах.

В случае процесса, в котором каждая из двух взаимодействующих фаз содержит, помимо распределяемого компонента, инертный компонент – носитель, т.е. число компонентов равно трём и С = 3 + 2 - 3 = 3 – можно произвольно менять давление, температуру и концентрацию одной из фаз по распределяемому компоненту. Обозначим концентрацию распределяемого компонента в 1-ой фазе через х_А, во 2-ой – через у_А. При Р = const и t = const некоторой концентрации одной из фаз х_А соответствует строго определённая концентрация другой фазы у_А.