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六多组分系统的相平衡
第六章 多组分系统的相平衡 相的定义 相的定义:系统中具有相同强度状态的一切均匀部分的总体称为相。因此,在同一种相内应该具有相同的强度状态参数。不同的相中具有不同的强度状态。 例如:在纯物质的同一个相内,应该具有相同的压力和温度;在多组分系统的同一个相内,除了具有相同的压力和温度外,还应该具有相同的成分。 复相系统的定义 定义:强度状态不同的部分所组成的系统称为非均相系统或多相系统,也称为复相系统。 在纯物质的多相系统中,处于各相平衡的中各个相,具有相同的压力和温度。例如:湿饱和蒸汽(饱和水和干饱和蒸汽)为多(二)相系统。在该系统中,饱和水与干饱和蒸汽具有相同的压力和温度。 对于多组分系统的多相系统,当系统处于平衡状态时,除各相具有相同的压力和温度外,还应具有什么样的条件呢? 本章主要内容 多相多组分系统的性质; 多相系统的热力学方程; 二元汽液系统的性质; 具有共沸点的混合物; 相律 在我们讨论的系统中,系统的表面作用以及其他外势场(电场、磁场、重力场等)的影响不做考虑,另外,系统内不发生化学反应。 第一节 多相系统的热力学方程 先研究多相多组分系统中的一个相的多组分方程; 再对多相多组分系统中的每相写出其相应的方程; 再写出多相多组分系统的热力学方程。 多相多组分系统中各相的相应的热力学方程 现在讨论一个包含 个相的多组分系统; 各相都是均匀的,而且都处于均匀的温度T和压力p下; 此时,该多相系统的自由焓应等于所有相的自由焓之和。 多相多组分系统中各相的相应的热力学方程 第一相 第二相 第 相 不同系统自由焓变化的计算式 对于一个均相系统,如在该系统内进行一个无限小的热力过程时,其温度变化为 ,压力变化为 ,每种组分的摩尔数变化为 ,则相应的自由焓变化为 在包含 个相的多组分多相系统中,如果发生一个无限小的热力过程,过程中各相具有相同的温度变化 和相同的压力变化 ,则相应的自由焓的变化为 多相系统中各相的自由焓变化 第一相 第二相 第 相 相平衡的特点 对于纯物质,当处于相平衡时,各相具有相同的强度状态参数,即具有相同的温度和压力。所以当系统在恒温恒压下趋于平衡时,系统自由焓的变化等于零,即自由焓为极小值。 对于多相多组分系统,当系统处于相平衡时,其自由焓的变化也应等于零,这时除了具有相同的强度状态参数之外,还应该满足下列化学平衡方程 不同相间摩尔数之间的关系 在一个没有化学反应的系统中,某一相 i 组分的摩尔数增加,一定意味着其它相 i 组分的摩尔数减少,所以说不同相中同一组分的摩尔数不是独立的,它们之间一定存在一定的制约关系。 由于在热力过程中不发生化学反映,所以同一组分摩尔数变化的唯一途径就是相的变化,即从一相变为另一相。也就是说,在这种情况下,同一组分的摩尔数保持不变。因此,其制约方程为 纯物质两相系统研究 系统自由焓的变化 由于具有 若在平衡达到之前,有一股物质从1相流到2相,则 ,而由于流动是不可逆的,因此 ,所以 物流流动方向 说明:物流在流动时,是从化学势高的相流向化学势低的相。 当两相化学势相等时,即达到化学平衡。此时,物流停止流动。 这与热量总是从高温物体流向低温物体,做功总是从高压状态向低压状态变化的道理是非常相似的。 第四节 相律 对于均相纯物质的简单可压缩系统,只需要两个独立的状态参数就能确定系统所处的状态。 对一个多组分的非均相系统,需要几个独立的参数,才能确定系统所处的状态呢?这就是相律所要解决的问题。 本节,只讨论没有化学反应的系统的相律。 多组分多相系统的独立变量数 当一个包含r个组分和 个相的系统处于平衡状态时,它的热力学状态除了取决于温度、压力外,还和它的摩尔成分有关。 在每个相内部,都存在 这样的关系,即有r-1个 为独立成分。 在 个相中,就有 个独立的摩尔成分。 这样,要确定一个包含r个组分和 个相的系统的平衡状态,需要的独立参数为 相律 通过前面的讨论已经知道,在这样的系统中,这些独立变量之间具有一定的关系,其关系就由相平衡方程确定。对于该系统相平衡方程共有 定义:独立变量数-独立方程数=独立强度变量数 独立强度变量数也称为相平衡自由度,简称自由度,用 f 表示,即 相律的物理意义 在不影响平衡相数的目的条件下,平衡系统中可以自由改变的独立强度变量数。即要确定系统的强度状态所必须任意选择的独立变量数。 如纯物质的两相系统,其相律为1。说明,对于这样的系统,其强度参数中只有一个是可以任意选取的,如选取了温度,则压力就不能任意选取。 关于相律的说明 相律只适用于平衡系统; 相律所关联的是系统
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