Компоненты (термодинамика) — Википедия

Компоненты (в термодинамике и химии) — независимые составляющие вещества системы, то есть индивидуальные химические вещества, которые необходимы и достаточны для составления данной термодинамической системы^[1], допускают выделение из системы и независимое существование вне её^[2][3][4][5]. Изменения масс компонентов выражают все возможные изменения в химическом составе системы, а масса (количество вещества, число частиц) каждого вещества, выбранного в качестве компонента, не зависит от масс (количеств вещества, числа частиц) других компонентов^[6][2].

Независимость компонентов означает, что если их массы или концентрации использовать в качестве независимых термодинамических переменных, то можно:

• не принимать во внимание химические реакции при термодинамическом рассмотрении систем и процессов;
• применять правило фаз при рассмотрении гетерогенных равновесий.

В частности, при рассмотрении фазовых равновесий и фазовых реакций в однокомпонентных системах допустимо игнорировать разницу в химических составах сосуществующих фаз^[7] (если использовать в качестве независимых переменных либо массы компонентов, либо принимать для всех фаз одну и ту же формульную единицу при вычислении числа молей компонента^[8]).

Понятие о компонентах системы было введено Дж. У. Гиббсом^[9] в 1875—1876 годах.

Составляющими веществами^[10] термодинамической системы называют все индивидуальные вещества, которые могут быть выделены из системы и существовать вне её. В отечественной литературе по языково-стилистическим причинам^[11] достаточно часто отступают от ИЮПАКовской терминологии и говорят не о составляющих веществах и компонентах, а о компонентах и независимых компонентах^[12][13][14].

Число компонентов системы меньше числа составляющих её веществ на число уравнений связи (если таковые имеются) между массами этих веществ^[15][16]. Наименьшее число компонентов — один.

В простейшем случае физической системы, на концентрации составляющих веществ в фазах которой не наложены ограничения, компонентами являются все составляющие вещества^[6] (к упомянутым ограничениям не относится условие равенства 1 суммы долей компонентов в каждой фазе, поскольку оно уже было использовано при выводе правила фаз Гиббса).

Для химической системы в число уравнений связи между концентрациями составляющих веществ входят уравнения, описывающие независимые химические реакции^[17] в этой системе. Если на состав химической системы не наложены дополнительные ограничения, то число компонентов системы равно числу составляющих веществ, уменьшенному на число независимых химических реакций^[6]. Не имеет принципиального значения, какие из химических реакций включить в набор независимых реакций — важно, чтобы этот набор был полон. Выбор компонентов, не будучи полностью произвольным — формульная атомная матрица (атомная матрица, молекулярная матрица, матрица состава) для компонентов должна быть квадратной, её размер (порядок) должен совпадать с числом компонентов, а детерминант должен быть отличен от нуля (формульная компонентная матрица)^[18][19][20], — определяется практической целесообразностью и допускает варьирование по соображениям удобства решения тех или иных конкретных задач.

Условия материальной изоляции^[21], накладываемые на систему в целом, не относятся к упоминавшимся выше уравнениям связи и не влияют на подсчёт числа компонентов внутри системы.

В дополнительные уравнения связи не должны входить массы (количества) веществ, находящихся в разных фазах. Другими словами, в дополнительном уравнении связи должны фигурировать концентрации (доли) только тех веществ, которые входят в состав одной фазы. Конкретные примеры дополнительных уравнений связи (начальных условий^[22]) в химических системах приведены ниже.

В зависимости от числа компонентов однокомпонентные (унарные^[23]), двухкомпонентные (двойные, бинарные), трёхкомпонентные (тройные) и многокомпонентные системы^[2][24].

Гомогенные системы: атмосферный воздух (основные компоненты — азот, кислород, аргон, углекислый газ, вода в виде пара); дистиллированная вода (единственный компонент — вода); морская вода (основные компоненты — вода, хлорид натрия и другие соли); алмаз (единственный компонент — метастабильная аллотропная форма углерода); графит (единственный компонент — стабильная аллотропная модификация углерода).

Гетерогенные системы: система, образованная льдом, жидкой водой и водяным паром (трёхфазная однокомпонентная система); система водяной пар — раствор поваренной соли в воде (частицы — H₂O, Na⁺, Cl^–, H₃O⁺, OH^– и др., составляющие вещества, они же компоненты — вода и хлорид натрия, система двухкомпонентная двухфазная).

Двухкомпонентная четырёхфазная система: система лёд — насыщенный раствор сульфата меди CuSO₄ — осадок медного купороса CuSO₄•5H₂O — водяной пар. Три составляющих вещества (соль, её гидрат и вода), одна химическая реакция

${\displaystyle {\mathsf {CuSO_{4}+5H_{2}O\rightleftarrows CuSO_{4}\cdot 5H_{2}O}}}$

— образование гидрата из соли и воды, 3 — 1 = 2 компонента (вода и соль).

Однокомпонентная двухфазная система: закрытая система из твёрдого хлорида аммония, диссоциирующего при нагревании на газообразные аммиак и хлористый водород по реакции

${\displaystyle {\mathsf {NH_{4}Cl\rightleftarrows NH_{3}+HCl}}}$

Три составляющих вещества, одна химическая реакция, одно дополнительное условие (равенство концентраций NH₃ и HCl в газовой фазе как следствие закрытости системы), 3 — 2 = 1 компонент. Если же система открытая и концентрации NH₃ и HCl в газовой фазе произвольны, то число компонентов будет равно 2, т. е. система будет двухкомпонентной^[25][26][27].

Двухкомпонентная трёхфазная система: открытая система из оксида кальция и диоксида углерода, образующих карбонат кальция по реакции

${\displaystyle {\mathsf {CaO+CO_{2}\rightleftarrows CaCO_{3}}}}$

Три составляющих вещества, одна химическая реакция, два компонента. В качестве компонентов можно выбрать любые два из трёх принимающих участие в химической реакции веществ. Исходя из постановки задачи, в качестве компонентов целесообразно выбрать исходные вещества (CaO и СО₂).

Двухкомпонентная трёхфазная система: закрытая система из твёрдого карбоната кальция, диссоциирующего при нагревании на твёрдый оксид кальция и газообразный диоксид углерода по реакции получения негашёной извести обжигом известняка

${\displaystyle {\mathsf {CaCO_{3}\rightleftarrows CaO+CO_{2}}}}$

Три составляющих вещества, одна химическая реакция, дополнительные уравнения связи отсутствуют (поскольку в каждой фазе по одному веществу), 3 — 1 = 2 компонента^{[25][22][28][29]}. Напрашивающийся вывод — три индивидуальных вещества, одна химическая реакция, одно дополнительное уравнение связи (равенство чисел молей CaO и СО₂ как следствие закрытости системы), число компонентов 3 — 2 = 1, т. е. система однокомпонентна^[30] — неверен.

Число принимаемых во внимание компонентов зависит от условий, в которых находится система. Изменяя условия, можно инициировать или тормозить химические реакции и тем самым менять число связей, накладываемых на изменения масс веществ^[6]. Так, система водород Н₂ — кислород О₂ — вода Н₂О в общем случае является двухкомпонентной, потому что возможна реакция

${\displaystyle {\mathsf {2H_{2}+O_{2}\rightleftarrows 2H_{2}O}}}$

Однако при комнатной температуре и атмосферном давлении эта реакция не идёт даже в присутствии катализатора^[31]. Поэтому в данных условиях система ведёт себя как трёхкомпонентная физическая, а не как двухкомпонентная химическая. Сказанное справедливо и для реакции между двумя основными компонентами воздуха — азотом N₂ и кислородом О₂

${\displaystyle {\mathsf {N_{2}+O_{2}\rightleftarrows 2NO}}}$

так что азотно-кислородную смесь обычно рассматривают как двухкомпонентную физическую систему.

Класс системы (физическая или химическая) и число учитываемых в ней компонентов может зависеть от постановки задачи, в том числе от требуемой точности конечных результатов^[6]. Так, рассматривая термодинамический цикл паровой машины, питательную воду можно считать однокомпонентной физической системой. Проверка этой же воды на содержание примесей (когда требуется учитывать вещества, присутствующих в очень малых количествах) подразумевает, что питательную воду рассматривают как многокомпонентную систему.

• Компоненты (в термодинамике и химии) // Кварнер — Конгур. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 12).
• Акопян А. А. Химическая термодинамика. — М.: Высшая школа, 1963. — 527 с.
• Бажин Н. М., Иванченко В. А., Пармон В. Н. Термодинамика для химиков. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия; КолосС, 2004. — 416 с. — (Для высшей школы). — ISBN 5-9532-0239-3, 5-9819-005-7.
• Воронин Г. Ф. Основы термодинамики. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. — 192 с.
• Гамеева О. С. Физическая и коллоидная химия. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1969. — 408 с.
• Герасимов Я. И., Древинг В. П., Еремин Е. Н. и др. Курс физической химии / Под общ. ред. Я. И. Герасимова. — 2-е изд. — М.: Химия, 1970. — Т. I. — 592 с.
• Гиббс Дж. В. Термодинамика. Статистическая механика / Отв. ред. Д. Н. Зубарев. — М.: Наука, 1982. — 584 с. — (Классики науки).
• Горшков В. С., Савельев В. Г., Федоров Н. Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. — М.: Высшая школа, 1988. — 400 с. — ISBN 5-06-001389-8.
• Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия / Пер. с англ. — М.: Мир, 1978.
• Древинг В. П., Калашников Я. А. Правило фаз с изложением основ термодинамики. — 2-е изд. перераб. и доп. — М.: Изд-во Московского ун-та, 1964. — 456 с.
• Еремин В. В., Каргов С. И., Успенская И. А. и др. Основы физической химии. Теория и задачи. — М.: Экзамен, 2005. — 481 с. — (Классический университетский учебник). — ISBN 5-472-00834-4.
• Еремин Е. Н. Основы химической термодинамики. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Высшая школа, 1978. — 392 с.
• Мюнстер А. Химическая термодинамика. — М.: Мир, 1971. — 296 с.
• Николаев Г. П., Лойко А. Э. Техническая термодинамика. — Екатеринбург: УрФУ, 2013. — 227 с.
• Путилов К. А. Термодинамика / Отв. ред. М. Х. Карапетьянц. — М.: Наука, 1971. — 376 с.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 5-е изд., испр. — М.: Физматлит, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5.
• Сторонкин А. В. Термодинамика гетерогенных систем. Части 1 и 2. — М.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1967. — 448 с.
• Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — 944 с. — ISBN 5-85270-306-0.
• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Добротность — Магнитооптика. — 704 с. — ISBN 5-85270-061-4.
• Фролов В. В. Химия. — М.: Высшая школа, 1986. — 544 с.
• Химическая энциклопедия / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Даффа реакция — Меди сульфат. — 672 с. — ISBN 5-85270-035-5.
• Химическая энциклопедия / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3: Меди сульфиды — Полимерные красители. — 640 с. — ISBN 5-85270-039-8.