Фазовые диаграммы двухкомпонентных систем представляют собой
графическое отображение равновесий между фазами при различных
температурах и составах. Они являются фундаментальным инструментом для
изучения термодинамики смесей и прогнозирования поведения веществ в
зависимости от внешних условий.
Основные элементы диаграмм
Оси координат:
- Температура (T) откладывается по вертикали.
- Состав (x), обычно в мольных долях или массе, — по
горизонтали.
Фазы:
- Жидкая фаза (L) характеризуется полной подвижностью
молекул.
- Твердая фаза (S) обладает фиксированным
кристаллическим строением.
- Газовая фаза (V) встречается реже, но учитывается
при высоких температурах или низком давлении.
Линии равновесия:
- Ликвидус — линия, выше которой смесь полностью
жидкая.
- Солидус — линия, ниже которой смесь полностью
кристаллизована.
- Солидус и ликвидус определяют область существования двух фаз
(L+S).
Типы диаграмм
двухкомпонентных систем
1. Системы с неограниченной растворимостью в жидкой фазе и
ограниченной в твердой
- Примеры: сплавы металлов типа Cu–Ni.
- Отличительная черта: образование эвтектической точки, где жидкость
кристаллизуется с постоянным составом.
- В области эвтектики твердая фаза состоит из двух кристаллических
структур с различным составом.
2. Системы с ограниченной растворимостью в жидкой и твердой
фазах
- Примеры: системы типа Pb–Ag.
- Область двухфазного равновесия выражена четко, максимальная
растворимость одного компонента в другом ограничена.
3. Системы с полным взаимным растворением (изоморфные
системы)
- Примеры: сплавы типа Cu–Ni.
- Отличие: образование однородного твердого раствора при всех
составах.
- Линии ликвидус и солидус определяют границы перехода из жидкой в
твердую фазу.
Эвтектические и
перитектические точки
- Эвтектическая точка — это состав и температура, при
которых жидкость превращается одновременно в две твердые фазы.
Характеризуется минимальной температурой плавления системы.
- Перитектическая реакция происходит при нагревании
твердой фазы и жидкости с образованием новой твердой фазы.
Построение диаграмм
Экспериментальные методы:
- Дилатометрия: измерение объема при плавлении.
- Дифференциальная термическая анализ (DTA).
- Методы микроскопии кристаллов.
Теоретические подходы:
- Использование закона Рауля и модели регулярного раствора для
предсказания кривых ликвидус.
- Учет термодинамических функций: свободной энергии Гиббса, энтальпии
смешения, энтропии.
Ключевые закономерности
В любой двухкомпонентной системе число фаз и степень их взаимного
растворения определяется правилом фаз Гиббса:
F = C − P + 2
где F — число степеней
свободы (температура, состав, давление), C — число компонентов, P — число фаз.
Область двух фаз (L+S) расширяется с увеличением
разницы химического потенциала компонентов.
В системах с ограниченной растворимостью твердых фаз образуются
две твердые фазы с различным составом, что определяет
сложные кривые солидуса и ликвидуса.
Применение диаграмм
- Предсказание состава сплавов и их температур плавления.
- Оптимизация технологических процессов кристаллизации.
- Исследование фазовых переходов и структуры смесей.
- Планирование многокомпонентных процессов экстракции и
ректификации.
Фазовые диаграммы двухкомпонентных систем являются основой для
понимания термодинамических и кинетических процессов, обеспечивая точное
представление о равновесии фаз, составах и температурных условиях, при
которых возможны различные трансформации веществ.