Artikel
Klopt de fasenregel van Gibbs?
Gepubliceerd: 1 July 2021 13:00
Water kan verschillende fasen aannemen: vloeibaar, vast en gasvormig. Andere stoffen, zoals vloeibare kristallen, hebben veel meer fasen. Toch kunnen er voor alle zuivere stoffen maximaal drie fasen tegelijkertijd bestaan. Dit principe is 150 jaar geleden beschreven in de fasenregel van Gibbs. In berekeningen aan mengsels met staafvormige deeltjes is recent gevonden dat deze klassieke fasenregel niet voldoet. Hoe zit dit?
Auteurs: Remco Tuinier en Mark Vis.
De Amerikaanse natuurkundige Josiah Willard Gibbs (1839-1903) is een van de belangrijke grondleggers van de hedendaagse thermodynamica, fysische chemie en statistische mechanica (een term die hij introduceerde). Volgens Einstein is hij “the greatest mind in American history”. Gibbs stelde in 1876 de fasenregel op, die beschrijft hoeveel verschillende fasen een stof of mengsel van stoffen maximaal tegelijkertijd kan aannemen. De fasenregel van Gibbs voor het aantal vrijheidsgraden V van een systeem luidt:
V = C - F + 2, (1)
met F het aantal fasen dat in evenwicht kan zijn en C het aantal componenten. Vrijheidsgraden zijn bijvoorbeeld de temperatuur en de druk. De maximale waarde van F bij een gegeven aantal componenten C correspondeert met V = 0. Voor zuivere stoffen, C = 1, voorspelt de fasenregel van Gibbs dat er maximaal drie fasen tegelijk in evenwicht kunnen zijn.
Om dit te illustreren is het fasediagram van water geschetst in figuur 1. Voor een zuivere stof als water is er één punt, met een specifieke temperatuur en druk, waarbij water tegelijkertijd als gas, vloeistof en ijs voorkomt: het tripelpunt. Aangezien op het tripelpunt de temperatuur én druk vastliggen, zijn er op dit punt nul vrijheidsgraden. Dat is dus in overeenstemming met de fasenregel van Gibbs.
In het fasediagram van water zijn vier gebieden te onderscheiden: water in vaste vorm (ijs), water in vloeibare vorm, water in de gasfase (waterdamp) en ‘superkritisch water’, waarbij er geen onderscheid meer is tussen vloeistof en gas bij veranderen van druk of temperatuur. Hoe universeel is dit gedrag?
Lees het volledige artikel in het julinummer of bekijk hieronder de pdf.
Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde
Het Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde is hét Nederlandstalige vakblad voor natuurkundigen, vol nieuws uit de natuurkunde. Een greep uit de onderwerpen: onderzoek aan de frontlinie, natuurkunde en kunst, onderwijs, bijzondere loopbanen, interviews met prominente wetenschappers en een kijkje in de keuken bij bedrijven. Jaarlijks verschijnt vlak voor de zomer een extra dik themanummer. Leden van de NNV ontvangen het tijdschrift maandelijks.
Speciale editie Beestachtige fysica
Beestachtige fysica is de naam van onze speciale editie van 2023. De mens, biologisch gezien ook een dier, heeft enkele bijzondere eigenschappen. Een opponeerbare duim, die het gebruik van gereedschappen makkelijker maakt, rechtop lopen en de ontwikkeling van spraak. Het stelt ons in staat elk werelddeel te bevolken. Toch hebben (andere) dieren eigenschappen waar wij alleen van kunnen dromen. Wat denk je van dieren die kunnen vliegen of het aardmagnetisch veld kunnen detecteren? We zetten dieren in voor ons eigen bestwil en putten inspiratie uit de natuur voor de ontwikkeling van nieuwe materialen, maar laat je in dit nummer vooral ook verwonderen over de veelzijdige fysica die het dierenleven rijk is.
Het themanummer Beestachtige fysica is los te bestellen door een mailtje te sturen aan het NNV-bureau (bureau@nnv.nl), vergeet niet om een verzendadres te vermelden. Het nummer kost 10 euro, inclusief btw en verzendkosten (voor verzenden naar het buitenland rekenen we extra kosten).