材料热力学之相平衡

对于凝聚系统，压力影响不大，只有温度影响 平衡，则相律可表示为
f * C 1
若除温度、压力外，还要考虑其他因素（如磁 场、电场、重力场等）的影响，则相律可表示为
f C n
§4.3 单组分系统的相平衡
一、单组分系统的两相平衡——Clapeyron方程 二、水的相图 三、超临界状态
单组分系统的相数与自由度
研究多相系统的状态如何随温度、压力和组成 等强度性质变化而变化，并用图形来表示，这种图 形称为相图。
二、相律（phase rule） 研究多相平衡系统中，相数、独立组分数与描
述该平衡系统的变数之间的关系。它只能作定性的 描述，而不能给出具体的数目。
三、相（phase） 系统内部物理和化学性质完全均匀的部分称
四、自由度（degree of freedom）
确定平衡系统的状态所必须的独立强度变量的 数目称为自由度，用字母 f 表示。这些强度变量通 常是压力、温度和浓度等。
如果已指定某个强度变量，除该变量以外的其 它强度变量数称为条件自由度，用 f * 表示。
例如：指定了压力 指定了压力和温度
f * f 1 f* f 2
因为有一个独立的化学反应，所以 R=1 因为两种气体的量保持一定的比例
所以
N2 (g):H2 (g) 1:3 R' 1, C S R R' 1
对于浓度限制条件R‘，必须是在同一相中几个 物质浓度之间存在的关系，能有一个方程把它们的 化学势联系起来。例如：
CaCO3(s) CaO(s) CO2 (g) C S R R' 31 0 2 因为 CaO(s), CO2 (g) 不在同一相中
• 4）相律是一条定性规律
对于化学平衡条件，必须是独立的 例如系统中有如下反应：
(1) CO H2O CO2 H2
1 (2) CO 2 O2 CO2
(3)
H2
1 2
O2
H2O
这三个反应中只有两个是独立的，所以 R=2
又如，在真空容器中发生如下反应：
2NH3(g) N2 (g) 3H2 (g)
§4.1 引 言
一、相图（phase diagram） 二、相律（phase rule） 三、相（phase） 四、自由度（degree of freedom）
研究多相系统的平衡在科研和生产中有重要的意 义，例如：溶解、蒸馏、重结晶、萃取、提纯及金相 分析等方面都要用到相平衡的知识
一、相图（phase diagram）
2、相律（phase rule）
Hale Waihona Puke 相律是相平衡体系中揭示相数 ，独立组分数
C和自由度 f 之间关系的规律，可用公式表示为：
f + = C+2
式中2通常指T，p两个变量。相律最早由Gibbs
提出，所以又称为Gibbs相律。
如果除T，p外，还受其它力场影响，则2改用n
表示，即：
f + = C+n
二、相律的推导 • 体系内部强度变量：设有S个物种、个相，每一相
Clausius-Clapeyron方程
对于气-液两相平衡，并假设气体为理想气体， 将液体体积忽略不计，则
d ln p dT
vap H m RT 2
这就是Clausius-Clapeyron
方程，
vap
H
是摩尔气化焓
m
假定vapH m的值与温度无关，积分得：
ln p2 vap Hm ( 1 1 )
单相区，物系点与相点重合；两相区中，只有 物系点，它对应的两个相的组成由对应的相点表示
一、单组分系统的两相平衡——Clapeyron方程
dp H dT T V
这就是Clapeyron方程，可应用于任何纯物质的 两相平衡系统
说明了压力随温度的变化率（单组分相图上两 相平衡线的斜率）受焓变和体积变化的影响。
材料热力学电子教案—第四章
T/K
453
B
等压 等温 p
TB
373 A'
An
A"
T1
两相
313 D
C
0 0.2 0.4 0.6
H2O 质量分数
E 0.8 1.0 A
C6H5 NH2
pB
pA
xB
B
第四章 相平衡
§4.1 引言 §4.2 相律 §4.3 单组分系统的相平衡 §4.4 理想的二组分液态混合物的气-液平衡相图 §4.5 简单的不互溶二元系固-液相图 §4.6 三组分系统的相图及其应用
§ 4.2 相律
一、基本概念 二、相律的推导
一、基本概念 1、独立组分数（number of independent component）
定义： C S R R'
在平衡体系所处的条件下，能够确保各相组成所需 的最少独立物种数称为独立组分数。
它的数值等于体系中所有物种数 S 减去体系中独立 的化学平衡数R，再减去同相各物种间的浓度限制条 件R’。S可因考虑问题的角度不同而不同，但C有定值 。
C=1
f + = 3
当 = 1 单相 当 = 2 两相平衡
f 2 双变量系统 f 1 单变量系统
当 = 3 三相共存
f 0 无变量系统
单组分系统的自由度最多为2，双变量系统 的相图可用平面图表示。
相点 表示某个相状态（如相态、组成、温度等）的 点称为相点。 物系点 相图中表示系统总状态的点称为物系点。
中可能独立的浓度变量数目为
• （S - 1）, 整个体系共有浓度变量数 (S – 1)；
• 外部环境和体系相互作用的强度变量：T，P，E（电 场强度）等等，设为n个。
• 则考虑内、外因，决定体系 状态变化的强度变量数最
多可能有： (S – 1)+ n
• 先假设任一物种在各相都存在，则要扣除不独立的
相间浓度变量数(化学势相等)： S( - 1)；
为相。 相与相之间在指定条件下有明显的界面，在
界面上宏观性质的改变是飞跃式的。
系统中相的总数称为相数，用 表示。
气体，不论有多少种气体混合，只有一个气相。
液体，按其互溶程度可以组成一相、两相或三 相共存。
固体，一般有一种固体便有一个相。两种固体粉 末无论混合得多么均匀，仍是两个相（固体溶液 除外，它是单相）。
• 此外，还需扣除R个独立的化学平衡数、R个 同相浓度限制条件
• 综合考虑内外因素，得自由度表达式：
• f = （S - 1）+ n - S（ - 1）- R - R • f=C-+n
• 讨论： • 1）n的取值和条件自由度
• 2）有的物种在某些相不存在公式仍成立 • 3）相律给出了自由度的数学定义