相与相图 Phase Diagrams¶

参考：

Atkins, P. W., De Paula, J., & Keeler, J. (2022). Physical chemistry (12th ed.). Oxford University Press.

https://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/phase-diagrams/

https://www.southampton.ac.uk/~pasr1/

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作者：凯楽斯kelesss

1. 相与相变¶

1.1 相¶

相（Phase）指的是化学组成和物理性质都均匀的物质的存在形式。

!!! warning "注意"
虽然这个描述很简短，但在实际中较难判断。这里的“均匀”指的是**”取体相内任意两部分，它们的结构和组成均相似”**，而不需要是只有一种物质。对于下面的情况，(a) 的任意一部分微观区域均相似，而 (b) 中虽然有一大部分微观区域只有一种组成，但是体相内可以取到不同的两部分区域，因此只有 (a) 可以认为是一相。

![image-20251121160027643](Phase_Diagram.assets/image-20251121160027643.png)

- 对于纯物质，通常讨论的相包括固相，液相，气相三相，其中液气两项通常不会存在变种（因为分子之间距离比较远，相对结构的改变对宏观性质的影响很小），而固相会存在多种变种（如黑磷白磷，石墨金刚石等）。
- 对于混合物，常见的均一相基本是以**溶液**（广义）的形式出现的：
  - 不同气体的均匀混合物一般认为是一相；
  - 不同液体相互完全溶解，可认为是一相；
  - 溶液中存在不同的溶质，连通溶剂整体可认为是一相；
  - 固溶体（即类似均匀合金的结构）可认为是一相。

一个体系内存在的相数一般用符号 \(P\) 表示，如存在两相可以表示为 \(P = 2\) 。

1.2 相变¶

相变（Phase Transition）指的是体系从一个相转变为另一个相的变化。如果不严谨地把不同的相视作不同的物质，你可以认为这个过程与化学反应类似： $$ \ce{P_\alpha ->[\(p, T\)] P_\beta} $$ 如果相变是一个可逆过程（事实上，大部分相变都是可逆相变），假设反应是在恒温恒压下进行，那么根据热力学知识，我们首先需要满足达到最小的吉布斯自由能。对总体的吉布斯自由能有： $$ G_{total} = {\mu_{\alpha}}n_{\alpha} + {\mu_{\beta}}n_{\beta} $$ 于是有： $$ \dd G_{total} = {\mu_{\alpha}}\dd n_{\alpha} + {\mu_{\beta}}\dd n_{\beta} $$ 由于物质守恒，我们定义 $$

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