相律

相律是反映體系內自由度與組分數和相數間關係的數學表達式。系統中物理性質和化學性質完全均勻的部分。在多相系統中，相與相之間有明顯的界面，超過界面，物理或化學性質發生突變。系統中所包含相的總數，稱為“相數。

基本介紹

• 中文名：相律
• 外文名：phase rule
• 表達式：F=C-P+2
• 套用學科：物理
• 相關人物：吉布斯

簡介

概述

對多相平衡的研究有著重要的實際意義。多相平衡現象在自然界及化工生產中經常遇到。如：自然界的冰水共存，鹽湖中鹽塊與湖水共存等都是多相平衡；在化工上，溶液的蒸發與蒸餾，固體的升華與融化，氣體、固體、液體的相互溶解，原料、產品的分離和提純—結晶、萃取、凝結，等等，均涉及到多相平衡問題。多相平衡現象，雖然種類繁多，但都遵守一個共同的規律—相律。

基本概念

1、相律，是研究相平衡的基本規律,表示平衡物系中的自由度數,相數及獨立組分數之間的關係。

（1）相與相之間有界面，各相可以用物理或機械方法加以分離，越過界面時性質會發生突變。

（2） 一個相可以是均勻的，但不一定只含一種物質。

體系的相數P∶

氣體：一般是一個相，如空氣組分複雜。

液體：視其混溶程度而定，可有1、2、3…個相。

固體：有幾種物質就有幾個相，如水泥生料。但如果是固溶體時為一個相。

固溶體：固態合金中，在一種元素的晶格結構中包含有其它元素的合金相稱為固溶體。在固溶體晶格上各組分的化學質點隨機分布均勻，其物理性質和化學性質符合相均勻性的要求，因而幾個物質間形成的固溶體是一個相。

2、相平衡體系∶在巨觀上沒有任何物質從一相轉移到另一相的體系。

其它相關

Gibbs 相律

熱力學平衡條件下，系統的組分數、相數和自由度數之間的關係：

Φ + f = C + 2

式中 Φ ----在所選系統中共存相的數目；

f----自由度；

C----系統中的組元數。

C 組元(組分) 系統中每一個能夠單獨分離出來並能夠獨立存在的化學純物質。如元素、化合物或溶液。自由度 F 是當系統為平衡狀態時，在不改變相的數目情況下，可獨立改變的因素（如溫度和壓力）。

注意事項

1. 相律是根據熱力學平衡條件推導而得，因而只能處理真實的熱力學平衡體系，不能預告反應動力學（即反應速度問題）。

2. 相律表達式中的“2”是代表外界條件溫度和壓強。如果電場、磁場或重力場對平衡狀態有影響，則相律中的“2”應為“3”、“4”、“5”。如果研究的系統為固態物質，可以忽略壓強的影響，相律中的“2”應為“1”。

3. 必須正確判斷獨立組分數、獨立化學反應式、相數以及限制條件數，才能正確套用相律。

4.只表示系統中組分和相的數目，不能指明組分和相的類型和含量。

5. 自由度只取“0”以上的正值。如果出現負值，則說明系統可能處於非平衡態。

相律的一般推導

假設一個平衡系統中有C個組分、P個相，對於每一個相來說，溫度、壓力及其相成分（即所含各組分的濃度）可變。確定每個相的成分，需要確定(C-1)個組分濃度，因為C個組分濃度之和為100%。現有P個相，故有P(C-1)個濃度變數。所有描述整個系統的狀態有P(C-1)+2個變數。但這些變數並不是彼此獨立的，由熱力學可知，平衡時每個組分在各相中的化學勢都必須彼此相等。

一個化學勢相等的關係式對應一個濃度關係式，應減少一個系統獨立變數。C個組分在P個相中共有C(P-1)個化學勢相等的關係式，因此整個系統的自由度數應為：

F=P（C－1）+2－C（P－1）=C－P+2

歷史

吉布斯（Jsoiah Willard Gibbs,1839-1903年），美國理論物理學家。1875-1878年，先後分兩部分在康乃狄克（州）科學院學報（Trans. Conn. Acad. Sci.）上發表 《關於多相物質的平衡》的文章，總計約400頁，約700多個公式。吉布斯的“相律”對於多相體系是“放置四海而皆準”的具有高度概括性的普適規律。它的重要意義就在於推動了化學熱力學及整個物理化學的發展，也成為相關領域諸如冶金學和地質學等的重要理論工具。