Rechner für die Gibbssche Phasenregel

Die Gibbssche Phasenregel zählt, wie viele intensive Variablen unabhängig verändert werden können, ohne die Zahl der Phasen im Gleichgewicht zu ändern. Ihre Standardform ohne Reaktionen lautet F = C − P + 2. Dabei ist F die Varianz beziehungsweise die Anzahl der Freiheitsgrade, C die Anzahl unabhängiger Komponenten und P die Phasenzahl. Die letzten zwei stehen für Temperatur und Druck. Die Regel bildet eine kompakte Grundlage zur Interpretation von Phasendiagrammen in Chemie, Materialwissenschaft, Geologie und Verfahrenstechnik. Eine Phase ist ein physikalisch homogener Bereich mit einheitlichen intensiven Eigenschaften und einheitlicher Zusammensetzung. Flüssiges Wasser, Eis und Wasserdampf sind drei unterschiedliche Phasen, obwohl sie dieselbe chemische Komponente enthalten. Komponenten sind die minimale Zahl unabhängiger chemischer Bestandteile, die zur Beschreibung sämtlicher Phasenzusammensetzungen benötigt werden. Ihre Zahl entspricht nicht immer der Zahl chemischer Spezies, insbesondere wenn Reaktionen oder Zusammensetzungsbedingungen diese verknüpfen. Für reines Wasser in einer Phase gilt C = 1 und P = 1, somit F = 2. Temperatur und Druck können beide variieren, während das System einphasig bleibt. Auf einer Flüssigkeit-Dampf-Koexistenzkurve gilt P = 2 und F = 1; die Wahl der Temperatur legt daher den Gleichgewichtsdruck fest. Am Tripelpunkt koexistieren drei Phasen und F = 0. Weder Temperatur noch Druck lassen sich unabhängig verändern, ohne eine Phase zu verlieren. Deshalb ist der Tripelpunkt invariant. Viele praktische Diagramme halten eine intensive Variable fest. Diagramme kondensierter Phasen werden häufig bei konstantem Druck gezeichnet; die Regel reduziert sich auf F = C − P + 1. Werden Temperatur und Druck festgelegt, entfallen zwei Freiheitsgrade. Der Rechner berücksichtigt dies, indem er die gewählte Anzahl festgelegter intensiver Variablen von der vollständigen Phasenregel abzieht. Ein negatives Ergebnis zeigt, dass die eingegebene Phasenzahl unter den Annahmen nicht frei koexistieren kann. Die einfache Formel setzt Gleichgewicht und das Fehlen zusätzlicher elektrischer, magnetischer, gravitativer oder Oberflächeneinflüsse voraus. Bei reagierenden Systemen muss die Komponentenzahl um unabhängige Reaktionen korrigiert werden; metastabile Phasen sind keine gewöhnlichen Gleichgewichtsphasen. Die Phasenregel sagt die Dimensionalität voraus, nicht die tatsächlichen Gleichgewichtstemperaturen, Drücke oder Zusammensetzungen. Nutzen Sie sie, um die Topologie von Phasendiagrammen zu prüfen, invariante und univariante Zustände zu klassifizieren und die zur vollständigen Festlegung eines Gleichgewichtszustands nötige Informationsmenge zu bestimmen.