Reguła faz Gibbsa. Warunki współistnienia faz w układach jednoskładnikowych

Stan układu materialnego, który w określonych warunkach (ciśnienie, temperatura) może być utrzymywany przez czas dowolnie długi, nosi nazwę stanu równowagi. Współistnienie faz w układzie wielofazowym uzależnione jest w określony sposób od ich liczby oraz od liczby składników niezależnych tworzących układ. Zmiana któregokolwiek czynnika, charakteryzującego stan równowagi (ciśnienie, temperatura, skład ilościowy poszczególnych faz) pociąga za sobą z reguły zmianę innych czynników, a może też spowodować zanik jednej z istniejących faz lub pojawienie się nowej. Liczba czynników, które mogą być zmienione dowolnie i niezależnie od siebie w szerszych lub węższych granicach bez zmiany liczby faz układu, nazywa się zmiennością lub stopniem swobody układu. Fizyk amerykański W. G i b b s (1876) wyprowadził na drodze rozważań termodynamicznych następującą zależność zmienności układu z od liczby składników niezależnych s i liczby faz znaną pod nazwą reguły faz Gibbsa: s = #u-2-/.

Znaczenie tej reguły, mającej zastosowanie do układów zarówno jednoskładnikowych, jak i złożonych z większej liczby składników nie reagujących ze sobą chemicznie, najlepiej zrozumieć na przykładach.

Układy jednoskładnikowe. Dla układów jednoskładnikowych (s = 1) wzór wyrażający regułę Gibbsa przyjmuje postać: z = 3 — W przypadku układu jednofazowego, np. gazowego tlenu lub pary wodnej, zmienność układu wynosi:

L = 3 — 1 = 2. Układ jest dwuzmienny, tzn. że można w określonych granicach zmieniać dowolnie i niezależnie od siebie dwa czynniki, np. ciśnienie i temperaturę, nie powodując zmiany liczby faz. Z chwilą jednak ustalenia określonych wartości dla obu zmiennych niezależnych inne własności układu (gęstość, współczynnik załamania światła itp.) przyjmą wartości określone, niezależne od woli obserwatora.