[科普中國(guó)]-相平衡

相平衡（phase equilibrium）在一定的條件下，當(dāng)一個(gè)多相系統(tǒng)中各相的性質(zhì)和數(shù)量均不隨時(shí)間變化時(shí)，稱此系統(tǒng)處于相平衡。此時(shí)從宏觀上看，沒(méi)有物質(zhì)由一相向另一相的凈遷移，但從微觀上看，不同相間分子轉(zhuǎn)移并未停止，只是兩個(gè)方向的遷移速率相同而已。

簡(jiǎn)介相平衡是熱力學(xué)在化學(xué)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用之一。研究多相體系的平衡在化學(xué)、化工的科研和生產(chǎn)中有重要的意義，例如:溶解、蒸餾、重結(jié)晶、萃取、提純及金相分析等方面都要用到相平衡的知識(shí)。一個(gè)系統(tǒng)可以是多組分的并含有許多相。當(dāng)相與相間達(dá)到物理的和化學(xué)的平衡時(shí)，則稱系統(tǒng)達(dá)到了相平衡。相平衡的熱力學(xué)條件是各相的溫度和壓力相等，任一組分在各相的化學(xué)勢(shì)相等。1

相關(guān)概念相圖表示平衡系統(tǒng)的相態(tài)及相組成與系統(tǒng)的溫度、壓力、總組成等變量之間的關(guān)系的圖形。相圖都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果而繪制的。

相體系內(nèi)部物理和化學(xué)性質(zhì)完全均勻的部分稱為相。相與相之間在指定條件下有明顯的界面，在界面上宏觀性質(zhì)的改變是飛躍式的。體系中相的總數(shù)稱為相數(shù)，用Φ表示。

氣體：不論有多少種氣體混合，只有一個(gè)氣相。

液體：按互溶程度可組成一相、兩相或三相共存。

固體：一般有一種固體便有一個(gè)相。兩種固體粉末無(wú)論混合得多么均勻，仍是兩個(gè)相（固體溶除外，它是單相）

自由度確定平衡體系的狀態(tài)所必須的獨(dú)立強(qiáng)度變量的數(shù)目稱為自由度，用字母f表示。這些強(qiáng)度變量通常是壓力、溫度和濃度等。

獨(dú)立組分?jǐn)?shù)在平衡體系所處的條件下，能夠確保各相組成所需的最少獨(dú)立物種數(shù)稱為獨(dú)立組分?jǐn)?shù)。1

類型及特點(diǎn)化工熱力學(xué)研究的兩相系統(tǒng)的平衡，有氣液平衡、氣固平衡、汽液平衡、汽固平衡、液液平衡、液固平衡和固固平衡；相數(shù)多于二的系統(tǒng)，有氣液固平衡、汽液液平衡等。系統(tǒng)處于相平衡狀態(tài)時(shí)，各相的溫度、壓力都相同，它們的組成一般不相同。相平衡的研究主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定有關(guān)數(shù)據(jù)，并應(yīng)用相平衡關(guān)聯(lián)的方法，以探討平衡時(shí)溫度T、壓力p和各相組成（摩爾分率x、y）之間的關(guān)系，借以判斷一定條件下相變化過(guò)程的方向，并根據(jù)偏離相平衡的程度來(lái)估計(jì)過(guò)程推動(dòng)力的大小。相平衡是傳質(zhì)分離過(guò)程和熱質(zhì)傳遞過(guò)程的理論基礎(chǔ)之一。例如：蒸餾和吸收利用相平衡時(shí)汽液或氣液兩相組成不同，通過(guò)相際物質(zhì)傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)混合物的分離；萃取根據(jù)物質(zhì)在兩個(gè)不互溶或部分互溶的液相中溶解度的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)混合物的分離；結(jié)晶利用固體在液體中溶解度的限制，從溶液中析出固體。這些過(guò)程都涉及物質(zhì)在相際的傳遞。研究相平衡可為選擇合適的分離方法提供依據(jù)。在傳質(zhì)設(shè)備（如精餾設(shè)備、萃取設(shè)備）的計(jì)算中，可用相平衡數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算設(shè)備的平衡級(jí)數(shù)或傳質(zhì)單元數(shù)。此外，相平衡研究還用于探討諸如玻璃、陶瓷、耐火材料、合金等材料的形成條件。 系統(tǒng)中強(qiáng)度性質(zhì)完全相同的部分稱為一相。相與相之間有明顯的界面 。一個(gè)相可以是連續(xù)的 ，也可以是不連續(xù)的（如分散的液滴或晶粒）。只有一相存在的系統(tǒng)稱為單相或均相系統(tǒng)，有兩個(gè)以上的相存在的系統(tǒng)一般稱為多相或非均相系統(tǒng)。

相律研究相平衡的熱力學(xué)基礎(chǔ)。對(duì)于不考慮外場(chǎng)（如重力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）作用及表面張力等因素影響的相平衡體系，相律的表達(dá)形式為：

f=C－p+2

式中f、C、p分別為系統(tǒng)的自由度數(shù)、獨(dú)立組分?jǐn)?shù)和相數(shù)。f是確定系統(tǒng)的平衡狀態(tài)所需的獨(dú)立的強(qiáng)度性質(zhì)的數(shù)目，這些獨(dú)立的強(qiáng)度性質(zhì)可在一定的范圍內(nèi)任意變化而不會(huì)引起相數(shù)的改變。系統(tǒng)的獨(dú)立組分?jǐn)?shù)C可由下式確定：

C=S－R－R′

式中S為系統(tǒng)中的化學(xué)物質(zhì)數(shù)目；R為系統(tǒng)中實(shí)際存在的獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)數(shù)目；R′為除相平衡、化學(xué)平衡和各相中Σxi=1的條件之外，存在于各物質(zhì)濃度之間的其他限制條件。

相平衡條件在一個(gè)封閉的多相體系中，相與相之間可以有熱的交換、功的傳遞和物質(zhì)的交流。對(duì)具有個(gè)相體系的熱力學(xué)平衡，實(shí)際上包含了如下四個(gè)平衡條件:

（1）熱平衡條件:：設(shè)體系有α、β、‥‥‥、Φ個(gè)相，達(dá)到平衡時(shí)，各相具有相同溫度

Tα=Tβ=‥‥‥=TΦ

（2）壓力平衡條件:：達(dá)到平衡時(shí)各相的壓力相等

pα=pβ=‥‥‥=pΦ

（3）相平衡條件：任一物質(zhì)B在各相中的化學(xué)勢(shì)相等，相變達(dá)到平衡

μBα=μBβ=‥‥‥=μBΦ

（4）化學(xué)平衡條件：化學(xué)變化達(dá)到平衡

ΣνBμB=01

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)