Equilibrio de fase

La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 22 de marzo de 2021; la verificación requiere 1 edición .

El equilibrio de fases en termodinámica es un estado en el que las fases de un sistema termodinámico se encuentran en un estado de equilibrio térmico , mecánico y químico .

Tipos de equilibrios de fase:

Equilibrio térmico significa que todas las fases de una sustancia en un sistema tienen la misma temperatura .

Equilibrio mecánico significa la igualdad de presiones en lados opuestos de la interfaz entre las fases en contacto. Estrictamente hablando, en los sistemas reales estas presiones son solo aproximadamente iguales, la diferencia de presión es creada por la tensión superficial .

El equilibrio químico se expresa en la igualdad de los potenciales químicos de todas las fases de una sustancia.

Condición de equilibrio de fase

Considere un sistema químicamente homogéneo (compuesto por partículas del mismo tipo). Deje que este sistema tenga una interfaz entre las fases 1 y 2. Como se mencionó anteriormente, el equilibrio de fase requiere la igualdad de temperaturas y presiones en la interfaz. Se sabe (ver el artículo Potenciales termodinámicos ) que el estado de equilibrio termodinámico en un sistema con temperatura y presión constantes corresponde al punto mínimo del potencial de Gibbs .

El potencial de Gibbs de tal sistema será igual a

${\displaystyle G=\mu _{1}N_{1}+\mu _{2}N_{2))$ ,

donde y son los potenciales químicos y y son los números de partículas en la primera y segunda fase, respectivamente. $\mu_{1}$ $\mu_{2}$ $N_1$ $N_2$

En este caso, la suma (el número total de partículas en el sistema) no puede cambiar, por lo que podemos escribir $N=N_{1}+N_{2}$

$G=\mu_{1}N_{1}+\mu_{2}(N-N_{1})=\mu_{2}N+(\mu_{1}-\mu_{ 2})N_{1}$ .

Supongamos que , por definición, . Entonces, obviamente, se alcanza el mínimo del potencial de Gibbs (toda la materia ha pasado a la primera fase). ${\ estilo de visualización \ mu _ {1} \ neq \ mu _ {2}}$ ${\ estilo de visualización \ mu _ {1} < \ mu _ {2}}$ ${\ estilo de visualización N_ {1} = N}$

Por lo tanto, el equilibrio de fase es posible solo cuando los potenciales químicos de estas fases en lados opuestos de la interfaz son iguales:

${\ estilo de visualización \ mu _ {1} = \ mu _ {2}}$ .

La ecuación de Clausius-Clapeyron

A partir de la condición de equilibrio de fase, se puede obtener la dependencia de la presión en un sistema en equilibrio con la temperatura. Si hablamos de equilibrio líquido-vapor , entonces la presión se entiende como presión de vapor saturado , y la relación se llama curva de evaporación . $P=P(T)$

De la condición de igualdad de los potenciales químicos se sigue la condición de igualdad de los potenciales termodinámicos específicos:

$g_{1}=g_{2}$ ,

donde , es el potencial de Gibbs de la i-ésima fase, es su masa. $g_{i}={\frac {G_{i}}{m_{i}}}$ $Soldado americano}$ $mi$

De aquí:

${\displaystyle dg_{1}=dg_{2))$ ,

lo que significa

$v_{1}dP-s_{1}dT=v_{2}dP-s_{2}dT$ ,

donde y son el volumen específico y la entropía de las fases. De ahí se sigue que $v_{1}$ $s_{1}$

${\frac {dP}{dT}}={\frac {s_{2}-s_{1}}{v_{2}-v_{1}}}$ ,

y finalmente

${\frac {dP}{dT}}={\frac {q}{T(v_{2}-v_{1})}}$ ,

donde es el calor específico de transición de fase (por ejemplo, calor específico de fusión o calor específico de vaporización ). $q$

La última ecuación se llama ecuación de Clausius-Clapeyron .

Regla de fase de Gibbs

La ley básica de los equilibrios heterogéneos, según la cual en un sistema fisicoquímico heterogéneo (macroscópicamente no homogéneo) en equilibrio termodinámico estable, el número de fases no puede exceder el número de componentes aumentado en 2. Establecida por J.W. Gibbs en 1873-76 [1] .

Véase también

Notas

↑ TSB

Literatura

Bazarov I.P. Termodinámica. (enlace inaccesible) M.: Vysshaya shkola, 1991. 376 p.
Sivukhin DV Curso general de física. - M. : Nauka , 1975. - T. II. Termodinámica y física molecular. — 519 pág.

Estados termodinámicos de la materia

Estados de fase

Estado de agregación Equilibrio de fase Regla de fase diagrama de fases Ecuación de estado
Sólido	cristales monocristal policristalino Cristalito
mesofase	Cuerpos amorfos estado vítreo Cristal liquido nemático esméctico colestérico Fase columnar mesógeno Membrana
Líquido	Fluido ideal Estado metaestable líquido sobrecalentado liquido sobreenfriado líquido estirado Fusión de un reactor fluido supercrítico
Gas	Gas ideal gasolina de verdad Vapor Vapor saturado vapor supercalentado vapor sobresaturado
Plasma	electromagnético Plasma de quarks-gluones Glazma
Baja temperatura	condensado bose condensado fermiónico gas cuántico gas bose gas fermi gas degenerado líquido cuántico liquido bose liquido fermi sólido superfluido Fenómenos superfluidez Superconductividad
Otro	asunto extraño molécula fotónica condensado de vidrio de color

Transiciones de fase

primer tipo

segundo tipo

en fenómenos eléctricos	ferroeléctrico Antiferroeléctrico
en fenómenos magnéticos	ferroimanes Paraimanes Antiferroimanes

cuántico

punto lambda

Sistemas dispersos

Geles
- aerogel
Soluciones
sistemas coloidales
- grueso
- coloidal libremente dispersado
Sol
Lata de aerosol
- Fumar
- Polvo
- Niebla
- neblina
Suspensión
Emulsión

ver también