FIZIKALNA KEMIJA PROCESA NM

FIZIKALNO HEMIJSKE OSNOVE KERAMIKE

USLOVI RAVNOTEA FAZA I FAZNIH TRANSFORMACIJA. GIBSOVO PRAVILO FAZA1.UvodKeramiki materijali openito nisu isti, ve sadre razne dodatke i neistoe, koji u velikoj mjeri utiu na osobine ovih materijala. Zato je vrlo vano poznavati prirodu i raspodjelu ovih faza. Stanje u sistemu se mijenja sa promjenom hemijskog sastava, temperature i pritiska. Fazni dijagrami predstavljaju grafiku sliku tih stanja. Oni se jo nazivaju i ravnoteni dijgrami stanja. Ovi dijagrami predstavljaju stabilno stanje tj. stanje u kojem sistem za date uslove ima minimalnu energiju, odnosno pokazuju koje su ravnotene faze prisutne za date uslove.

Ovi dijagrami daju korisne informacije o jedinjenjima i sistemima jedinjenja, pa se npr. iz faznog dijagrama moe direktno oitati:

temperatura topljenja istog jedinjenja

snienje temperature topljenja kada su dva ili vie jedinjenja pomijeana

koliina i sastav tene i vrste faze za specifinu temperaturu i volumni sastav itd.

Za razumijevanje faznih dijagrama i faznih transformacija potrebno je znati neke osnovne pojmove, kao to su faza i komponenta. Faza je homogeni dio sistema ije osobine i sastav se razlikuju od drugih dijelova sistema. Komponente datog sistema su razliiti elementi ili hemijska jedinjenja koja grade sistem. Do faznih transformacija dolazi zato to je poetno stanje sistema nestabilno u odnosu na konano stanje.

2. Fazni dijagrami istih tvariista tvar, kao to je voda moe egzistirati u vrstom, tenom i plinovitom stanju, to zavisi od pritiska i temperature sistema. Svima poznat primjer predstavlja aa vode sa kockom leda. U ovom sluaju led i voda su razdvojeni granicom faza povrinom leda. U sluaju kljuanja vode, dvije faze koje se nalaze u stanju ravnotee su voda i vodena para. U dijagramu na slici grafiki je predstavljena ravnotea razliitih faza vode pri razliitim uslovima pritiska i temperature.

Sl 1. Fazni dijagram za voduU ovom dijagramu postoji tzv. trojna taka pri niskom pritisku (0.006 atm) i temperaturi 0,01 C, gdje istovremeno postoji vrsta, tena i plinovita faza. 3. Viekomponentni sistemi i Gibbsovo pravilo faza

Heterogen sistem moe biti vrlo sloen sistem, koji sadri vie komponenata rasporeenih u dvije ili vie faza. Da bi se definisala ravnotea postojeih faza, potrebno je znati odreeni broj veliina stanja sistema. Na prvi pogled, ovaj broj izgleda vrlo veliki. Meutim, neke od veliina stanja su u meusobnoj zavisnosti preko definiranih jednaina (npr. Klauzijosova, konst. ravnotee, zakon raspodjele...). Broj podataka, koji je za posmatrano stanje ravnotee faza potrebno znati da bi ona bila potpuno definirana, tako se svodi na ogranieni broj veliina. Ovaj broj je odredio 1876 g. J. Willard Gibbs. Za opis ravnotee heterogenog sistema Gibbs je odabrao slijedea tri pojma: broj faza P, broj komponenata C i broj stepena slobode F.

Broj faza (F) predstavlja fizikih i hemijski homogenih dijelova sistema, koji su meusobno razdvojeni granicama faza.

Broj komponenata (K) je minimalan broj hemijski nezavisnih vrsta, kojima se moe opisati sastav svake faze u sistemu.

Broj stepena slobode (S) je najmanji broj intenzivnih veliina stanja, koji mora biti poznat, da bi stanje sistema u pogledu broja faza i broja komponenata koje on sadri, bilo potpuno definisano.

Na osnovu termodinamikih razmatranja Gibbs je izveo jednainu kojom se odreuje broj faza koje mogu koegzistirati u nekom sistemu u stanju ravnotee:

F + S = K + 2

PRIMJER 1.Primjena Gibbsovog pravila na pT-dijagram iste vode

U trojnoj taki u ravnotei koegzistiraju 3 faze, a kako se radi o jednokomponentnom sistemu prema Gibbsovom pravilu je:

3 + S = 1 + 2,

S = 0

Dakle, nijedna od varijabli (p i T) se ne moe promijeniti a da sistem ostane trofazni. Iz tog razloga se trojna taka naziva jo i invarijantnom takom.Posmatrajmo sada bilo koju taku na graninoj liniji izmeu vrste i tene faze. U toj taki zajedno egzistiraju dvije faze vrsta i tena. Prema pravilu faza je:

2 + S = 1 + 2

S = 1

U ovom sluaju sistem ima jedan stepen slobode, pa se nezavisno moe mijenjati ili pritisak ili temperatura a da jo uvijek postoje dvije faze u sistemu. Ukoliko je fiksirana jedna vrijednost pritiska, postoji samo jedna temperatura pri kojoj keogzistiraju tena i vrsta faza.

U treem sluaju razmotrimo taku iz dijagrama koja se nalazi unutar neke od faza. Poto se radi o jednofaznom sistemu imamo:1 + S = 1 + 2

S = 2

To znai da se i pritisak i temperatura mogu nezavisno mijenjati a da kompletan sistem ostane u jednoj fazi.

PAGE 2/3