Русская Википедия:Компоненты (термодинамика)

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Компоненты (в термодинамике и химии) — независимые составляющие вещества системы, то есть индивидуальные химические вещества, которые необходимы и достаточны для составления данной термодинамической системы[1], допускают выделение из системы и независимое существование вне её[2]Шаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn. Изменения масс компонентов выражают все возможные изменения в химическом составе системы, а масса (количество вещества, число частиц) каждого вещества, выбранного в качестве компонента, не зависит от масс (количеств вещества, числа частиц) других компонентовШаблон:Sfn[2].

Независимость компонентов означает, что если их массы или концентрации использовать в качестве независимых термодинамических переменных, то можно:

В частности, при рассмотрении фазовых равновесий и фазовых реакций в однокомпонентных системах допустимо игнорировать разницу в химических составах сосуществующих фаз[3] (если использовать в качестве независимых переменных либо массы компонентов, либо принимать для всех фаз одну и ту же формульную единицу при вычислении числа молей компонентаШаблон:Sfn).

Историческая справка

Понятие о компонентах системы было введено Дж. У. ГиббсомШаблон:Sfn в 1875—1876 годах.

Компоненты и составляющие вещества

Составляющими веществами[4] термодинамической системы называют все индивидуальные вещества, которые могут быть выделены из системы и существовать вне её. В отечественной литературе по языково-стилистическим причинам[5] достаточно часто отступают от ИЮПАКовской терминологии и говорят не о составляющих веществах и компонентах, а о компонентах и независимых компонентах[6]Шаблон:SfnШаблон:Sfn.

Число компонентов системы меньше числа составляющих её веществ на число уравнений связи (если таковые имеются) между массами этих веществШаблон:SfnШаблон:Sfn. Наименьшее число компонентов — один.

В простейшем случае физической системы, на концентрации составляющих веществ в фазах которой не наложены ограничения, компонентами являются все составляющие веществаШаблон:Sfn (к упомянутым ограничениям не относится условие равенства 1 суммы долей компонентов в каждой фазе, поскольку оно уже было использовано при выводе правила фаз Гиббса).

Для химической системы в число уравнений связи между концентрациями составляющих веществ входят уравнения, описывающие независимые химические реакции[7] в этой системе. Если на состав химической системы не наложены дополнительные ограничения, то число компонентов системы равно числу составляющих веществ, уменьшенному на число независимых химических реакцийШаблон:Sfn. Не имеет принципиального значения, какие из химических реакций включить в набор независимых реакций — важно, чтобы этот набор был полон. Выбор компонентов, не будучи полностью произвольным — формульная атомная матрица (атомная матрица, молекулярная матрица, матрица состава) для компонентов должна быть квадратной, её размер (порядок) должен совпадать с числом компонентов, а детерминант должен быть отличен от нуля (формульная компонентная матрица)Шаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn, — определяется практической целесообразностью и допускает варьирование по соображениям удобства решения тех или иных конкретных задач.

Условия материальной изоляцииШаблон:Sfn, накладываемые на систему в целом, не относятся к упоминавшимся выше уравнениям связи и не влияют на подсчёт числа компонентов внутри системы.

В дополнительные уравнения связи не должны входить массы (количества) веществ, находящихся в разных фазах. Другими словами, в дополнительном уравнении связи должны фигурировать концентрации (доли) только тех веществ, которые входят в состав одной фазы. Конкретные примеры дополнительных уравнений связи (начальных условийШаблон:Sfn) в химических системах приведены ниже.

Классификация систем по числу компонентов

В зависимости от числа компонентов однокомпонентные (унарныеШаблон:Sfn), двухкомпонентные (двойные, бинарные), трёхкомпонентные (тройные) и многокомпонентные системы[2]Шаблон:Sfn.

Примеры выбора компонентов и нахождения их числа для физических систем

Гомогенные системы: атмосферный воздух (основные компоненты — азот, кислород, аргон, углекислый газ, вода в виде пара); дистиллированная вода (единственный компонент — вода); морская вода (основные компоненты — вода, хлорид натрия и другие соли); алмаз (единственный компонент — метастабильная аллотропная форма углерода); графит (единственный компонент — стабильная аллотропная модификация углерода).

Гетерогенные системы: система, образованная льдом, жидкой водой и водяным паром (трёхфазная однокомпонентная система); система водяной пар — раствор поваренной соли в воде (частицы — HШаблон:SubO, NaШаблон:Sup, ClШаблон:Sup, HШаблон:SubOШаблон:Sup, OHШаблон:Sup и др., составляющие вещества, они же компоненты — вода и хлорид натрия, система двухкомпонентная двухфазная).

Примеры выбора компонентов и нахождения их числа для химических систем

Двухкомпонентная четырёхфазная система: система лёд — насыщенный раствор сульфата меди CuSOШаблон:Sub — осадок медного купороса CuSOШаблон:Sub•5HШаблон:SubO — водяной пар. Три составляющих вещества (соль, её гидрат и вода), одна химическая реакция

<math>\mathsf{CuSO_4 + 5H_2O \rightleftarrows CuSO_4\cdot5H_2O}</math>

— образование гидрата из соли и воды, 3 — 1 = 2 компонента (вода и соль).

Однокомпонентная двухфазная система: закрытая система из твёрдого хлорида аммония, диссоциирующего при нагревании на газообразные аммиак и хлористый водород по реакции

<math>\mathsf{NH_4Cl \rightleftarrows NH_3 + HCl}</math>

Три составляющих вещества, одна химическая реакция, одно дополнительное условие (равенство концентраций NHШаблон:Sub и HCl в газовой фазе как следствие закрытости системы), 3 — 2 = 1 компонент. Если же система открытая и концентрации NHШаблон:Sub и HCl в газовой фазе произвольны, то число компонентов будет равно 2, т. е. система будет двухкомпонентной[8]Шаблон:SfnШаблон:Sfn.

Двухкомпонентная трёхфазная система: открытая система из оксида кальция и диоксида углерода, образующих карбонат кальция по реакции

<math>\mathsf{CaO + CO_2 \rightleftarrows CaCO_3}</math>

Три составляющих вещества, одна химическая реакция, два компонента. В качестве компонентов можно выбрать любые два из трёх принимающих участие в химической реакции веществ. Исходя из постановки задачи, в качестве компонентов целесообразно выбрать исходные вещества (CaO и СО2).

Двухкомпонентная трёхфазная система: закрытая система из твёрдого карбоната кальция, диссоциирующего при нагревании на твёрдый оксид кальция и газообразный диоксид углерода по реакции получения негашёной извести обжигом известняка

<math>\mathsf{CaCO_3 \rightleftarrows CaO + CO_2}</math>

Три составляющих вещества, одна химическая реакция, дополнительные уравнения связи отсутствуют (поскольку в каждой фазе по одному веществу), 3 — 1 = 2 компонента[8]Шаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn. Напрашивающийся вывод — три индивидуальных вещества, одна химическая реакция, одно дополнительное уравнение связи (равенство чисел молей CaO и СО2 как следствие закрытости системы), число компонентов 3 — 2 = 1, т. е. система однокомпонентнаШаблон:Sfn — неверен.

Зависимость числа компонентов от условий протекания химической реакции

Число принимаемых во внимание компонентов зависит от условий, в которых находится система. Изменяя условия, можно инициировать или тормозить химические реакции и тем самым менять число связей, накладываемых на изменения масс веществШаблон:Sfn. Так, система водород Н2 — кислород О2 — вода Н2О в общем случае является двухкомпонентной, потому что возможна реакция

<math>\mathsf{2H_2 + O_2 \rightleftarrows 2H_2O}</math>

Однако при комнатной температуре и атмосферном давлении эта реакция не идёт даже в присутствии катализатора[9]. Поэтому в данных условиях система ведёт себя как трёхкомпонентная физическая, а не как двухкомпонентная химическая. Сказанное справедливо и для реакции между двумя основными компонентами воздуха — азотом N2 и кислородом О2

<math>\mathsf{N_2 + O_2 \rightleftarrows 2NO}</math>

так что азотно-кислородную смесь обычно рассматривают как двухкомпонентную физическую систему.

Зависимость числа компонентов от постановки задачи

Класс системы (физическая или химическая) и число учитываемых в ней компонентов может зависеть от постановки задачи, в том числе от требуемой точности конечных результатовШаблон:Sfn. Так, рассматривая термодинамический цикл паровой машины, питательную воду можно считать однокомпонентной физической системой. Проверка этой же воды на содержание примесей (когда требуется учитывать вещества, присутствующих в очень малых количествах) подразумевает, что питательную воду рассматривают как многокомпонентную систему.

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Шаблон:^

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

  1. ↑ component // IUPAC Gold Book Шаблон:Wayback.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 Шаблон:Cite web
  3. ↑ Например, кристаллическая сера состоит из молекул SШаблон:Sub, расплавленная сера содержит цепные молекулы разной длины, а в парах серы имеет место равновесие между молекулами SШаблон:Sub, SШаблон:Sub, SШаблон:Sub и SШаблон:Sub.
  4. ↑ constituent // IUPAC Gold Book Шаблон:Wayback.
  5. ↑ Если для составляющего вещества требуется указать его массу, то никаких коллизий не возникает: говорят о «массе составляющего вещества». Если же для составляющего вещества нужно указать его количество в молях, то объединение двух правильных стандартных терминов — «количество вещества» и «составляющее вещество» — в формально правильное словосочетание «количество вещества составляющего вещества» приводит к потере ясности, требуемой от научного стиля изложения, а более простой оборот речи «количество составляющего вещества» для людей, далёких от химии, теряет свою научную однозначность из-за существования обиходно-бытовой трактовки входящих в него терминов. С другой стороны, говоря о «количестве компонента», несколько снижают риск неправильного понимания обсуждаемого понятия.
  6. ↑ Шаблон:Cite web
  7. ↑ Химические реакции, уравнения которых не являются линейными комбинациями уравнений других одновременно протекающих в системе химических реакций.
  8. ↑ 8,0 8,1 Путляев В. И., Еремина Е. А. Правило фаз (однокомпонентные системы), 1999 Шаблон:Wayback.
  9. ↑ Смеси водорода с кислородом в этих условиях взрывоопасны, но для запуска рассматриваемой химической реакции требуется инициация, например, электрической искрой.
Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Компоненты_(термодинамика)&oldid=10155625