[科普中國(guó)]-相

相就是系統(tǒng)中物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)完全相同的均勻部分，相與相之間存在明顯的相界面，在界面上宏觀性質(zhì)的改變是飛躍式的。系統(tǒng)內(nèi)相的數(shù)目為相數(shù)，當(dāng)有不同固體時(shí)，有幾種固體就有幾個(gè)相；而當(dāng)有不同氣體時(shí)，因氣體能完全混合，故只對(duì)應(yīng)一個(gè)相。均相系統(tǒng)中只有一個(gè)相；多相系統(tǒng)中若由若干個(gè)相平衡共存，也稱為非均相系統(tǒng)。

定義物理名詞在物理學(xué)中相是指一個(gè)宏觀物理系統(tǒng)所具有的一組狀態(tài)，也通稱為物態(tài)。處于一個(gè)相中的物質(zhì)擁有單純的化學(xué)組成和物理特性（如密度、晶體結(jié)構(gòu)、折射率等）。最常見的物質(zhì)狀態(tài)有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，俗稱“物質(zhì)三態(tài)”。少見一些的物質(zhì)狀態(tài)包括等離子態(tài)、夸克-膠子等離子態(tài)、玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)、費(fèi)米子凝聚態(tài)、酯膜結(jié)構(gòu)、奇異物質(zhì)、液晶、超液體、超固體、和磁性物質(zhì)中的順磁性、逆磁性等等。

系統(tǒng)中相的總數(shù)目稱為相數(shù)，根據(jù)相數(shù)不同，可以將系統(tǒng)分為單相系統(tǒng)和多相系統(tǒng)。1

化學(xué)名詞根據(jù)系統(tǒng)中物質(zhì)存在的形態(tài)和分布不同，將系統(tǒng)分為相（phase）。相是指在沒有外力作用下，物理、化學(xué)性質(zhì)完全相同、成分相同的均勻物質(zhì)的聚集態(tài)。所謂均勻是指其分散度達(dá)到分子或離子大小的數(shù)量級(jí)（分散粒子直徑小于10-9m）。相與相之間有明確的物理界面，超過此界面，一定有某宏觀性質(zhì)（如密度，組成等）發(fā)生突變。物質(zhì)在壓強(qiáng)、溫度等外界條件不變的情況下，從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相的過程稱為相變。相變過程也就是物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生突然變化的過程。

通常任何氣體均能無限混合，所以系統(tǒng)內(nèi)無論含有多少種氣體都是一個(gè)相，稱為氣相。均勻的溶液也是一個(gè)相，稱為液相。浮在水面上的冰不論是2 kg還是1 kg ，不論是一大塊還是一小塊，都是同一個(gè)相，稱為固相。相的存在和物質(zhì)的量的多少無關(guān)，可以連續(xù)存在，也可以不連續(xù)存在。

系統(tǒng)內(nèi)相的數(shù)目為相數(shù)，用P表示∶

氣體：一般是一個(gè)相，如空氣組分復(fù)雜。

液體：視其混溶程度而定，可有1、2、3…個(gè)相。

固體：一般有幾種物質(zhì)就有幾個(gè)相，如水泥生料。但如果是固溶體時(shí)為一個(gè)相。

固溶體：固態(tài)合金中，在一種元素的晶格結(jié)構(gòu)中包含有其它元素的合金相稱為固溶體。在固溶體晶格上各組分的化學(xué)質(zhì)點(diǎn)隨機(jī)分布均勻，其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)符合相均勻性的要求，因而幾個(gè)物質(zhì)間形成的固溶體是一個(gè)相。

系統(tǒng)中物理狀態(tài)、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)完全均勻的部分稱為一個(gè)相（phase）。系統(tǒng)里的氣體，無論是純氣體還是混合氣體，總是一個(gè)相。若系統(tǒng)里只有一種液體，無論這種液體是純物質(zhì)還是（真）溶液，也總是一個(gè)相。若系統(tǒng)中有兩種液體，如乙醚與水，中間以液-液界面隔開，為兩相系統(tǒng)，考慮到乙醚里溶有少量水，水里也溶有少量乙醚，同樣只有兩相。同樣，不相溶的油和水在一起是兩相系統(tǒng)，激烈振蕩后油和水形成乳濁液，也仍然是兩相（一相叫連續(xù)相，另一相叫分散相）。不同固體的混合物，是多相系統(tǒng)，如花崗石（由石英、云母、長(zhǎng)石等礦物組成），又如無色透明的金剛石中有少量的黑色的金剛石，都是多相系統(tǒng)。相和組分不是一個(gè)概念，例如，同時(shí)存在水蒸氣、液態(tài)的水和冰的系統(tǒng)是三相系統(tǒng)，盡管這個(gè)系統(tǒng)里只有一個(gè)組分——水。一般而言，相與相之間存在著光學(xué)界面，光由一相進(jìn)入另一相會(huì)發(fā)生反射和折射，光在不同的相里行進(jìn)的速度不同?；旌蠚怏w或溶液是分子水平的混合物，分子（離子也一樣）之間是不存在光學(xué)界面的，因而是單相的。不同相的界面不一定都一目了然。更確切地說，相是系統(tǒng)里物理性質(zhì)完全均勻的部分。

在體系內(nèi)部物理和化學(xué)性質(zhì)完全均勻的一部分。相與相之間在指定條件下有明顯界面，在界面上，從宏觀角度看性質(zhì)的改變是突越式的。

物理化學(xué)應(yīng)用相律相律作為物理化學(xué)中最具有代表性的規(guī)律之一，是吉布斯根據(jù)熱力學(xué)原理得出的，它用于確定相平衡系統(tǒng)中能夠獨(dú)立改變的變量個(gè)數(shù)。相和相數(shù)、自由度和自由度系數(shù)是用來推導(dǎo)相律的基本概念。

自由度是指維持系統(tǒng)相數(shù)不變情況下，可以獨(dú)立改變的變量（如溫度、壓力、組成等），其個(gè)數(shù)為自由度數(shù)，用F表示。如純水在氣、液兩相平衡共存時(shí)，若改變溫度同時(shí)要維持氣液兩相共存，則系統(tǒng)的壓力必須等于該溫度下的飽和蒸汽壓而不能任意選擇，否則會(huì)有一個(gè)相消失。同樣，若改變壓力，溫度也不能任意選擇。即水與水蒸氣兩相平衡系統(tǒng)中，能獨(dú)立改變得變量只有一個(gè)，即自由度數(shù)F=1。又如任意組成的二組分鹽水溶液與水蒸氣兩相平衡系統(tǒng)，可以改變的變量有三個(gè)：溫度、壓力（水蒸氣壓力）和鹽水溶液的組成。但水蒸氣壓力是溫度和溶液組成的函數(shù)，故這個(gè)系統(tǒng)的自由度數(shù)F=2。若鹽是過量的，系統(tǒng)中為固體鹽、鹽的飽和水溶液與水蒸氣三相平衡。當(dāng)溫度一定時(shí)，鹽的溶解度一定，因而水蒸氣壓力也一定，能夠獨(dú)立改變的變量只有一個(gè)，故系統(tǒng)的自由度數(shù)F=1。

要確定一個(gè)相平衡系統(tǒng)的自由度數(shù)，對(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)可憑經(jīng)驗(yàn)加以判斷，但對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)，如多相、多組分相平衡系統(tǒng)，則需要借助相律加以確定。

相律的主要目的是確定系統(tǒng)的自由度數(shù)，即獨(dú)立變量個(gè)數(shù)，其基本思路為：

自由度數(shù)=總變量數(shù)-非獨(dú)立變量數(shù)

任何一個(gè)非獨(dú)立變量，它總可以通過一個(gè)與獨(dú)立變量關(guān)聯(lián)的方程式來表示，具有多少非獨(dú)立變量，一定對(duì)應(yīng)多少關(guān)聯(lián)變量的方程式，故有：

自由度數(shù)=總變量數(shù)-方程式數(shù)

總變量數(shù)包括溫度、壓力及組成。方程式數(shù)：系統(tǒng)中P個(gè)相就有P個(gè)關(guān)聯(lián)組成的方程。

相平衡化學(xué)化工生產(chǎn)中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分離、提純時(shí)離不開蒸餾、結(jié)晶、萃取等各種單元操作，而這些單元操作過程中的理論基礎(chǔ)就是相平衡原理。此外在冶金、材料、采礦、地質(zhì)等行業(yè)過程中，也需要相平衡的知識(shí)。

相平衡研究的一項(xiàng)主要內(nèi)容是表達(dá)一個(gè)相平衡系統(tǒng)的狀態(tài)如何隨其組成、溫度、壓力等變量而變化，而要描述這種相平衡系統(tǒng)狀態(tài)的變化，主要有兩種方法：一是從熱力學(xué)的基本原理、公式出發(fā)，推導(dǎo)系統(tǒng)的溫度、壓力與各相組成間的關(guān)系，并用數(shù)學(xué)公式予以表示，如克拉佩龍方程、拉烏爾定律等；另一種方法是用圖形表示相平衡系統(tǒng)溫度、壓力、組成間的關(guān)系，這種圖形稱為相圖。

相平衡（phase equilibrium） 在一定的條件下，當(dāng)一個(gè)多相系統(tǒng)中各相的性質(zhì)和數(shù)量均不隨時(shí)間變化時(shí)，稱此系統(tǒng)處于相平衡。此時(shí)從宏觀上看，沒有物質(zhì)由一相向另一相的凈遷移，但從微觀上看，不同相間分子轉(zhuǎn)移并未停止，只是兩個(gè)方向的遷移速率相同而已。

相平衡條件：相平衡時(shí)任一物質(zhì)在各相中的化學(xué)勢(shì)相等。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉中清 - 高級(jí)工程師 - 石油化工科學(xué)研究院