Faseregel
Rene stoffer (én komponent)Rediger
For rene stoffer er C = 1, således at F = 3 – P. I en enkeltfasetilstand (P = 1) i et system med rene komponenter kan to variabler (F = 2), f.eks. temperatur og tryk, vælges uafhængigt af hinanden til et hvilket som helst par værdier, der er i overensstemmelse med fasen. Hvis kombinationen af temperatur og tryk imidlertid når et punkt, hvor den rene komponent undergår en opdeling i to faser (P = 2), falder F fra 2 til 1. Når systemet går ind i tofaseregionen, bliver det ikke længere muligt at styre temperatur og tryk uafhængigt af hinanden.
I fasediagrammet til højre kortlægger grænsekurven mellem væske- og gasområdet begrænsningen mellem temperatur og tryk, når enkeltkomponent-systemet har adskilt sig i væske- og gasfaser ved ligevægt. Den eneste måde, hvorpå man kan øge trykket på tofaselinjen, er ved at øge temperaturen. Hvis temperaturen sænkes ved afkøling, kondenserer en del af gassen, hvilket sænker trykket. Under begge processer forbliver temperaturen og trykket i det forhold, der er vist af denne grænsekurve, medmindre den ene fase er helt opbrugt ved fordampning eller kondensation, eller medmindre det kritiske punkt er nået. Så længe der er to faser, er der kun én frihedsgrad, som svarer til positionen langs fasegrænsekurven.
Det kritiske punkt er den sorte prik i slutningen af væske-gasgrænsen. Efterhånden som man nærmer sig dette punkt, bliver væske- og gasfaserne gradvist mere ens, indtil der ved det kritiske punkt ikke længere er nogen adskillelse i to faser. Over det kritiske punkt og væk fra fasegrænsekurven er F = 2, og temperatur og tryk kan reguleres uafhængigt af hinanden. Der er således kun én fase, og den har de fysiske egenskaber af en tæt gas, men kaldes også en superkritisk væske.
Af de andre to grænsekurver er den ene fast-væske-grænsen eller smeltepunktskurven, som angiver betingelserne for ligevægt mellem disse to faser, og den anden ved lavere temperatur og tryk er fast-gas-grænsen.
Selv for et rent stof er det muligt, at tre faser, f.eks. fast stof, væske og damp, kan eksistere sammen i ligevægt (P = 3). Hvis der kun er én komponent, er der ingen frihedsgrader (F = 0), når der er tre faser. Derfor kan denne trefasede blanding i et enkelt komponentsystem kun eksistere ved en enkelt temperatur og et enkelt tryk, som er kendt som et tripelpunkt. Her er der to ligninger μsol(T, p) = μliq(T, p) = μvap(T, p) = μvap(T, p), som er tilstrækkelige til at bestemme de to variabler T og p. I diagrammet for CO2 er tripelpunktet det punkt, hvor den faste, den flydende og den gasformige fase mødes ved 5,2 bar og 217 K. Det er også muligt for andre sæt af faser at danne et tripelpunkt, f.eks. er der i vandsystemet et tripelpunkt, hvor is I, is III og væske kan eksistere samtidig.
Hvis fire faser af et rent stof var i ligevægt (P = 4), ville fasereglen give F = -1, hvilket er meningsløst, da der ikke kan være -1 uafhængige variable. Dette forklarer det faktum, at fire faser af et rent stof (f.eks. is I, is III, flydende vand og vanddamp) ikke findes i ligevægt ved nogen temperatur og tryk. I form af kemiske potentialer er der nu tre ligninger, som generelt ikke kan opfyldes af nogen værdier af de to variabler T og p, selv om de i princippet kan løses i et særligt tilfælde, hvor den ene ligning er matematisk afhængig af de to andre. I praksis betyder imidlertid sameksistensen af flere faser end tilladt af fasereglen normalt, at faserne ikke alle er i ægte ligevægt.
To-komponent-systemerRediger
For binære blandinger af to kemisk uafhængige komponenter er C = 2, således at F = 4 – P. Ud over temperatur og tryk er den anden frihedsgrad sammensætningen af hver fase, ofte udtrykt som molbrøk eller massebrøk af den ene komponent.
Som eksempel kan man betragte et system med to fuldstændig blandbare væsker som toluen og benzen, der er i ligevægt med deres dampe. Dette system kan beskrives ved et kogepunktsdiagram, der viser sammensætningen (molbrøken) af de to faser i ligevægt som funktioner af temperaturen (ved et fast tryk).
Fire termodynamiske variabler, der kan beskrive systemet, omfatter temperatur (T), tryk (p), molbrøken af komponent 1 (toluen) i den flydende fase (x1L) og molbrøken af komponent 1 i dampfasen (x1V). Da der imidlertid er to faser til stede (P = 2) i ligevægt, kan kun to af disse variabler være uafhængige (F = 2). Dette skyldes, at de fire variabler er begrænset af to forhold: ligheden mellem de kemiske potentialer for flydende toluen og toluendamp og den tilsvarende lighed for benzen.
For givne T og p vil der være to faser i ligevægt, når systemets samlede sammensætning (systempunktet) ligger mellem de to kurver. En vandret linje (isoterm eller tie line) kan trækkes gennem ethvert sådant systempunkt og skærer kurven for hver fase ved dens ligevægtssammensætning. Mængden af hver fase er givet ved hjælp af løftestangsreglen (udtrykt i den variabel, der svarer til x-aksen, her molbrøk).
For analysen af fraktioneret destillation anses de to uafhængige variabler i stedet for at være væskefasens sammensætning (x1L) og tryk. I dette tilfælde indebærer fasereglen, at ligevægtstemperaturen (kogepunktet) og dampfasesammensætningen er bestemt.
Væske-damp-fasediagrammer for andre systemer kan have azeotropier (maksima eller minima) i sammensætningskurverne, men anvendelsen af fasereglen er uændret. Den eneste forskel er, at sammensætningerne af de to faser er lige store præcis ved den azeotrope sammensætning.
Leave a Reply