Komponent (termodynamik)

Inom termodynamik är en komponent en av en samling kemiskt oberoende beståndsdelar i ett system . Antalet komponenter representerar det minsta antalet oberoende kemiska arter som krävs för att definiera sammansättningen av alla faser i systemet.

Att beräkna antalet komponenter i ett system är nödvändigt när man tillämpar Gibbs fasregel vid bestämning av antalet frihetsgrader i ett system.

Antalet komponenter är lika med antalet distinkta kemiska arter (beståndsdelar), minus antalet kemiska reaktioner mellan dem, minus antalet eventuella begränsningar (som laddningsneutralitet eller balans mellan molära kvantiteter).

Beräkning

Antag att ett kemiskt system har M element och N kemiska arter (grundämnen eller föreningar). De senare är kombinationer av de förra, och varje art A _i kan representeras som en summa av element:

$A_{i}=\sum _{j}a_{ij}E_{j},$

där a _ij är de heltal som anger antalet atomer av elementet E _j i molekylen A _i . Varje art bestäms av en vektor (en rad i denna matris), men raderna är inte nödvändigtvis linjärt oberoende . Om rangordningen för matrisen är C , så finns det C linjärt oberoende vektorer, och de återstående NC- vektorerna kan erhållas genom att addera multiplar av dessa vektorer. De kemiska arterna som representeras av dessa C -vektorer är komponenter i systemet.

Om till exempel arterna är C (i form av grafit ), CO ₂ och CO, då

${\begin{bmatrix}1&0\\1&2\\1&1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}C\\\\O\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}C\\ CO_{2}\\CO\end{bmatrix}}.$

Eftersom CO kan uttryckas som CO = (1/2)C + (1/2)CO ₂ är det inte oberoende och C och CO kan väljas som komponenter i systemet.

Det finns två sätt att vektorerna kan vara beroende. En är att vissa elementpar alltid förekommer i samma förhållande i varje art. Ett exempel är en serie polymerer som är sammansatta av olika antal identiska enheter. Antalet sådana begränsningar ges av Z . Dessutom kan vissa kombinationer av grundämnen vara förbjudna av kemisk kinetik. Om antalet sådana begränsningar är R' , då

$C=M-Z+R'.$

På motsvarande sätt, om R är antalet oberoende reaktioner som kan äga rum, då

$C=NZR.$

Konstanterna är relaterade till N - M = R + R' .

Exempel

CaCO ₃ - CaO - CO ₂ system

Detta är ett exempel på ett system med flera faser, som vid vanliga temperaturer är två fasta ämnen och en gas. Det finns tre kemiska arter (CaCO ₃ , CaO och CO ₂ ) och en reaktion:

CaCO3 ⇌ CaO + _{CO2 .}

Antalet komponenter är då 3 - 1 = 2.

Vatten - Väte - Syresystem

Reaktionerna som ingår i beräkningen är endast de som faktiskt inträffar under de givna förhållandena, och inte de som kan inträffa under olika förhållanden såsom högre temperatur eller närvaron av en katalysator. Till exempel sker inte dissociationen av vatten till dess element vid vanlig temperatur, så ett system av vatten, väte och syre vid 25 °C har 3 oberoende komponenter.