Диаграмма состояния воды

Кривые АО, ОС, ОВ разделяют поле диаграммы на три фазовых поля. Любая точка на каждом из фазовых полей характеризует однофазную систему, обладающую в соответствии с правилом фаз 2-мя степенями свободы (т.е. в пределах фазового поля можно изменять Т и Р, при этом состояние воды не изменится.

Наибольшее давление насыщенного пара (линия ОС) наблюдается при критической температуре воды (374⁰С) и равно 218 атм. Равновесие лед«вода (линия ОВ) наблюдается только до 2000 атм. При более высоких давлениях образуются другие кристаллические модификации льда.

 

D

С

В

А

О

 

Точки на линиях, разделяющих фазовые поля, характеризуют равновесия двух фаз, при этом система моновариантна.

Фазовые поля сходятся в точке О, называемой тройной точкой. В ней при строго заданных условиях в равновесии находятся три фазы, при этом система безвариантна.

Пунктирная линия ОD характеризует неустойчивое (метастабильное) состояние переохлажденной воды в области устойчивости льда (равновесие переохлажденная вода«пар).

Виды фазовых диаграмм усложняются, если вещество в твердом состоянии образует несколько кристаллических форм, каждая из которых устойчива в определенном интервале температур и давлений и является самостоятельной фазой.

 

Равновесие в двухкомпонентных системах

Примерами двух компонентных систем являются сплавы двух металлов, расплав двух солей, любой раствор, состоящий из растворителя и одного растворенного вещества.

Для системы из двух компонентов правило фаз записывается в виде:

К = 2 С = 2 + 2 – Ф.

 

При Ф = 1	С = 2 + 2 – 1 = 3 Число степеней свободы максимально – Р, Т, концентрация одного из компонентов С1. Концентрация второго компонента – величина зависимая: С2 = 100% - С1 Единицы измерения – мольные или весовые проценты
При Ф = 2	С = 2 + 2 – 2 = 2
При Ф = 3	С = 2 + 2 – 3 = 1
При Ф = 4	С = 2 + 2 – 4 = 0 Система безвариантна

 

В общем случае для построения диаграмм состояния двухкомпонентных систем пользуются тремя осями координат: Т, Р и С.

В частном случае при изучении конденсированных систем, состоящих только из жидких и твердых фаз, фактор давления можно не учитывать (особенно если исследования проводят при атмосферном давлении). В этом случае фазовые диаграммы строят в координатах Т – С.

Пример такой системы – сплав из двух нелетучих металлов.

Основные методы изучения сплавов – микроскопические исследования, рентгеновский структурный анализ, термический анализ. Термический анализ основывается на определении температур фазовых превращений. Для проведения анализа приготовляют ряд образцов сплава известного состава. Каждый из образцов расплавляют и затем, медленно охлаждая, регистрируют температуру расплава через определенные промежутки времени. Автоматическую запись кривых охлаждения – термографию – проводят на пирометрах.

Фазовая диаграмма сплава Bi-Cd (диаграмма плавкости) представлена на рис. Левый угол диаграммы соответствует 100% Bi, правый угол – 100% Cd.

Характерные линии и области на диаграмме:

1 (область АЕВ)	Жидкие сплавы различного состава: Ф = 1, С = 2 + 1 – 1 = 2, система бивариантна (С и Т)
2 – линия ликвидуса	Отвечает температурам начала кристаллизации: АЕ – кристаллизация висмута, ВЕ – кристаллизация кадмия
А	Температура плавления чистого висмута
В	Температура плавления чистого кадмия
Область АЕС	Одновременное сосуществование в равновесии жидких расплавов переменного состава и кристаллов висмута Ф = 2, С = 1
Область ВЕD	Одновременное сосуществование в равновесии жидких расплавов переменного состава и кристаллов кадмия Ф = 2, С = 1
3 – линия солидуса	Отвечает температурам полного отвердевания смесей
4 (область под линией солидуса)	Механическая смесь кристаллов висмута и кадмия (твердые сплавы Bi и Cd)
Е – эвтектика	Ф = 3, С = 0

 

D

С

В

А

 

Эвтектика – неоднородная механическая смесь, состоящая из мелких кристаллов одного и другого компонента. Эвтектический сплав – сплав, обладающий наиболее низкой температурой кристаллизации (по сравнению с температурой кристаллизации отдельных компонентов смеси). Кристаллизация таких сплавов от начала до конца происходит при постоянной температуре, как у чистых металлов).

 

Двухкомпонентные водно-солевые системы

Водно-солевые системы обычно изучают при атмосферном давлении. Поскольку изменения его незначительны, то фактор давления при этом не учитывают. Диаграммы состояния таких систем как правило являются плоскостными, их строят в координатах Т – С.

Если при растворении соль не образует с водой кристаллогидрата, то диаграмма состояния будет подобна диаграмме состояния системы Bi-Cd. Однако водно-солевые системы отличаются от металлических тем, что температуры плавления солей обычно очень высокие, часто выше критической температуры растворителя. Из-за этого смеси солей с малым содержанием воды приготовить невозможно и участки диаграмм состояния, близкие по составу к чистым (100%) солям, не могут быть изучены.

В водно-солевых системах эвтектика называется криогидратом, а температура, ей отвечающая – криогидратной точкой. Криогидрат представляет собой механическую смесь мелких кристаллов льда и соли. Такие смеси благодаря низким и постоянным температурам плавления используют в качестве охлаждающих составов.

Температуры плавления и состав некоторых криогидратных смесей:

Соль	Криогидратная температура, 0С	Безводная соль в криогидрате, вес %
KNO3	-2,9	10,9
NaCl	-21,2	22,42
CaCl2×6H2O	-55,0	29,9

 

В криогидратной точке система безвариантна. Здесь одновременно из раствора выпадают кристаллы льда и соли (Ф = 3, С = 0).

По диаграмме водно-солевых систем определяют растворимость солей при заданных температурах, а также находят состав и температуру плавления криогидратных смесей.