8. Fázové rovnováhy, fázový diagram jednosložkové soustavy

Fáze je homogenní část heterogenní termodynamické soustavy, která je od ostatních částí této soustavy oddělena rozhraním, v němž se vlastnosti soustavy mění nespojitě, tedy skokem. Fáze je část soustavy, která se od ostatních fází odlišuje fyzikálně a případně i chemicky. Různá skupenství např. vody jsou různé fáze i při stejném chemickém složení. Chemicky rozdílné látky pevného skupenství jsou různé fáze a rovněž chemicky rozdílné, vzájemně nemísitelné kapaliny jsou různé fáze (např. soustava éter + voda má dvě fáze, neboť promícháme-li tyto dvě kapaliny v kádince, rychle se obě od sebe oddělí a vytvoří dvě samostatné vrstvy).

Každá směs plynů je díky jejich povrchové neohraničenosti jen jednou fází. Za různé fáze je nutno považovat i různé polymorfní modifikace téže sloučeniny (např. aragonit a kalcit jsou dvě různé fáze o složení CaCO3) a také různé alotropické modifikace téhož prvku (např. grafit a diamant nebo rozdílné modifikace síry). Pevné fáze téhož chemického složení se zpravidla označují řeckými písmeny đ, β atd., a to postupně od nejvýšeteplotních fází k nížeteplotním.

Podle počtu fází v soustavě je možno rozlišit
• homogenní soustavy, které jsou tvořeny jen jedinou fází, a
• heterogenní soustavy, které se skládají nejméně ze dvou fází. Homogenní soustavy se někdy označují jako jednofázové soustavy; heterogenní soustavy se označují jako vícefázové soustavy.

Chemické složení soustavy a všech fází v soustavě se vyjadřuje pomocí složek (komponent). Složky jsou jednotlivé chemické prvky, skupiny nebo sloučeniny, jejichž chemické vzorce jsou voleny tak, aby bylo možno vyjádřit složení všech fází v soustavě co nejmenším počtem složek. Pokud sledujeme jen určitou část soustavy, často dochází k situaci, že tato část soustavy obsahuje méně fází než celá soustava - v tomto případě lze k vyjádření chemického složení všech fází ve sledované části soustavy použít menšího počtu složek než k vyjádření chemického složení všech fází v celé soustavě (obvykle dochází i k tomu, že k popisu určité části soustavy volíme jiné složky než k popisu celé soustavy). Počet složek je jednou z hlavních charakteristik termodynamické soustavy.
Rozlišují se jednosložkové (unární), dvojsložkové (binární), trojsložkové (ternární) a vícesložkové (polykomponentní) soustavy, přičemž vícesložkové soustavy jsou tvořeny minimálně čtyřmi složkami.
Pod pojmem počet volností fázové asociace rozumíme počet intenzitních stavových veličin, které je možno v určitém rozpětí spojitě a nezávisle měnit, aniž se změní počet a druh fází rovnovážně koexistujících v dané asociaci. Podle počtu volností rozlišujeme invariantní fázové asociace (počet volností = 0), univariantní fázové asociace (počet volností = 1), divariantní fázové asociace (počet volností = 2), trivariantní fázové asociace (počet volností = 3) atd.

Fázové pravidlo (podle svého autora často označované jako Gibbsovo fázové pravidlo) vyjadřuje vztah mezi počtem fází a složek v rovnovážné soustavě. Fázové pravidlo je vyjádřeno rovnicí F + V = S + 2 , kde F = počet koexistujících fází, V = počet volností a S = počet složek. Fázové pravidlo tedy říká, že v rovnovážné soustavě je suma fází a volností rovna počtu složek zvětšenému o dvě.


Fázové diagramy jsou n-rozměrné geometrické útvary, do nichž jsou vyneseny rovnovážné fázové asociace (převážně stabilní, výjimečně i metastabilní) jako funkce stavových veličin - zpravidla jde o intenzitní stavové veličiny jako je tlak, teplota, aktivita, fugacita a dále o proměnné vyjadřující chemické složení. Způsob konstrukce a prezentace fázových diagramů je různý.

Fázové diagramy jednosložkových soustav jsou poměrně jednoduché, neboť všechny rovnovážné fázové asociace lze znázornit plošným diagramem (jsou zde jen dvě proměnné stavové veličiny, z nichž jedna se vynáší na vodorovnou osu diagramu, druhá na svislou osu diagramu).

Pro znázornění dvojsložkové soustavy potřebujeme trojrozměrný (prostorový) diagram, do nějž lze vynést již tři proměnné, tj. teplotu, tlak a poměrné zastoupení obou složek soustavy, které vyjádříme jediným molárním zlomkem. U třísložkové soustavy může jít o čtyři proměnné (tlak, teplotu a dva molární zlomky). Fázové diagramy složitých soustav se třemi a více proměnnými se vhodným způsobem redukují nebo se rozkládají do několika grafů, které např. vyjadřují příslušné závislosti při určité konstantní teplotě (jde o tzv. izotermální řezy) nebo při určitém konstantním tlaku (jde o tzv. izobarické řezy) apod.


Trojný bod je fyzikální pojem pro bod ve fázovém diagramu, charakterizovaný dvěma veličinami, obvykle teplotou a tlakem, při kterém pro danou látku existují současně tři fáze: pevná, kapalná a plynná. Např. pro vodu tato rovnováha nastává při tlaku 610,6 Pa a teplotě 0,01°C. Tato teplota odpovídá hodnotě 273,16 kelvinů a její pomocí je kelvin definován v mezinárodní soustavě jednotek SI.