Фазові діаграми
Фазова діаграма показує, яка фаза або комбінація фаз є термодинамічно стабільною за заданих температури, тиску та складу. Межі на діаграмі — не довільні лінії: на них хімічні потенціали відповідних фаз перебувають у рівновазі.
Однокомпонентна діаграма
Для чистої речовини на площині P–T є області твердої, рідкої та газової фаз. Усередині області одна фаза стабільна; на лінії дві фази співіснують у рівновазі.
Потрійна точка
У потрійній точці три фази співіснують за єдиними P і T для чистої речовини. Це наслідок правила фаз Гіббса: кількість незалежних інтенсивних змінних різко зменшується, коли зростає число рівноважних фаз.
Критична точка
Лінія рідина–газ закінчується критичною точкою. Вище критичних T і P немає різкої межі між рідиною та газом; існує надкритичний флюїд, властивості якого можна безперервно змінювати.
Нахил межі
Рівняння Клапейрона dP/dT=ΔS/ΔV пов’язує нахил фазової межі з ентропією та об’ємом переходу. Для плавлення льоду ΔV<0, тому крива тверде–рідина має незвичний від’ємний нахил порівняно з багатьма речовинами.
Суміші
Для двокомпонентних систем діаграми T–склад показують області однієї чи двох фаз, евтектики, рідус і солідус. Усередині двофазної області склад кожної фази визначається кінцями зв’язувальної лінії, а їхні кількості — правилом важеля.
Метастабільність
Діаграма показує рівноважний стан, але реальна система може затриматися в метастабільному стані через бар’єр зародження. Переохолоджена вода або перегріта рідина не спростовують діаграму; вони показують кінетику переходу.
Практичне читання
У металургії, геології, хімічній технології та матеріалознавстві діаграми допомагають прогнозувати, які фази утворяться при охолодженні чи зміні складу. Для реального процесу треба додати швидкість охолодження, дифузію та можливі нерівноважні структури.
Правило фаз Гіббса
Для системи з C компонентами та P рівноважними фазами число ступенів свободи в простій формі F=C−P+2. Для чистої речовини C=1: в однофазній області можна незалежно змінювати дві інтенсивні змінні, на лінії співіснування — одну, а в потрійній точці F=0. Це пояснює геометрію P–T діаграми без запам’ятовування окремих випадків.
Евтектика як приклад
У простій евтектичній бінарній системі рідина певного складу при евтектичній температурі одночасно перетворюється на дві тверді фази. Це інваріантна реакція за фіксованого тиску і важливий орієнтир для сплавів. Мікроструктура залежить також від швидкості охолодження, тому одна й та сама точка рівноважної діаграми може давати різну реальну морфологію при різній кінетиці.
Вправа
Що особливого у потрійній точці чистої речовини?
Розв’язання
Тверда, рідка й газова фази співіснують у термодинамічній рівновазі при одному конкретному поєднанні температури і тиску.