Классификация сложных термодинамических систем.
Фазовые переходы первого рода. Фазовые диаграммы.
До сих пор мы ограничивались анализом свойств однородных термодинамических систем, например, газов. Однородные системы принято называть гомогенными.
Сложные системы, состоящие из нескольких гомогенных подсистем, называют гетерогенными.Таковы, например, системы лед - вода, вода - пар, растворы частично растворимых веществ, а также суспензии и эмульсии. Суспензияминазываются жидкости, в которых мельчайшие частицы твердого вещества находятся в устойчивом взвешенном состоянии. Примером суспензии может служить смесь тщательно размельчённой глины в воде. Эмульсиями называют жидкости, содержащие в устойчивом взвешенном состоянии мельчайшие капельки другой жидкости. Типичным примером эмульсии является молоко - смесь капелек жира в воде.
Иногда в особую группу выделяют коллоидные растворы(золи), занимающие промежуточное положение между истинными растворами и смесями. Примером коллоидных растворов является человеческая кровь с эритроцитами диаметром ~ 7,5 мкм. Коллоидные растворы играют очень важную роль в химии, биологии, медицине, сельском хозяйстве и широко используются во многих современных технологических процессах.
Химически индивидуальное вещество сложной системы принято называть компонентом.По этому признаку различают однокомпонентные (химически чистые) и многокомпонентныесистемы. Например, смесь трех газов О2, N2, СО2 содержит три компонента. В растворе вода - этиловый спирт имеются два компонента. Если в системе происходят химические реакции, то число ее компонентов определяется сложнее, так как некоторые химические соединения оказываются взаимозависимыми. По этой причине из числа исходных компонентов приходится вычитать число реакций.
Другим важным элементом сложной термодинамической системы является фаза. Фазой, как уже упоминалось,называют физически однородную часть гетерогенной системы, которая может быть отделена от общей системы механическим способом. Часто понятие фазы ограничивают агрегатными состояниями вещества, различая в нем газовую, жидкую и твердую фазы. В действительности понятие фазы гораздо шире. В частности, у химически индивидуальных веществ твердое состояние может иметь несколько аллотропных модификаций, различающихся кристаллической структурой. Каждая из таких структур обладает всеми признаками фазы. Поэтому у воды, например, найдено семь фаз: водяной пар, вода и пять аллотропных модификаций льда. Аллотропные модификации имеются у многих химических элементов (белое и серое олово, ромбическая и моноклинная сера и др.)
В многокомпонентной системе общее число возможных фаз существенно возрастает, так как компоненты системы могут давать твердые растворы и сплавы, насыщенные жидкие растворы и другие образования, обладающие специфическими физическими свойствами. Исключение составляет лишь газообразная фаза системы. Газы, как известно, способны перемешиваться между собой на молекулярном уровне в неограниченных пропорциях. Поэтому обычно считается, что газы образуют всегда только одну фазу, независимо от числа входящих в нее компонентов. Правда, имеются отдельные экспериментальные сведения, что газы с существенно различными молярными массами все же способны образовывать газовую смесь с разными фазами.
В общем случае компоненты, образующие гетерогенную систему, могут переходить из одного агрегатного состояния в другое. Например, в трехфазной однокомпонентной системе лед - вода - пар молекулы всегда способны перемещаться по всем трем фазам, вследствие чего лед может превращаться в воду и пар. Возможны и обратные переходы. Причем из повседневного опыта хорошо известно, что переход воды из одной фазы в другую сопровождается значительными тепловыми эффектами(поглощением или выделением теплоты). Эти тепловые эффекты обычно происходят без изменения температуры и давления в системе, поэтому, как уже говорилось, теплоту фазового перехода иногда называют скрытой теплотой.
Фазовые переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое, вследствие их универсальности, получили свои индивидуальные названия. Так, переход из твердой фазы в жидкую называют плавлением,переход жидкой фазы в газообразную (паровую) - испарением,а непосредственный переход из твердого состояния в газообразное - возгонкой,или сублимацией.Обратные переходы из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией,из жидкого в твердое кристаллическое - кристаллизацией, замораживаниемили затвердеванием,а из газообразного в твердое - десуб-лимацией.
Наличие скрытых (не связанных с изменением температуры) тепловых эффектов, сопутствующих разнообразным фазовым превращениям в сложных термодинамических системах, означает, что все фазовые превращения связаны с изменениями внутренней энергии входящих в систему веществ.