ما هي قاعدة الطور لجيبس؟
قاعدة الطور لجيبس علاقة أساسية في الكيمياء الفيزيائية والديناميكا الحرارية، تحدّد عدد المتغيّرات المكثّفة المستقلة (درجات الحرية) التي يمكنك تغييرها دون أن يتغيّر عدد الأطوار في نظام يوجد في حالة اتزان. وتُكتب بالصيغة \(F = C - P + 2\)، حيث تمثّل F درجات الحرية، وC عدد المكوّنات الكيميائية، وP عدد الأطوار الموجودة. أمّا الرقم «+2» فيُعبّر عن المتغيّرين المكثّفين: درجة الحرارة والضغط.
كيفية استخدام الحاسبة
أدخل عدد المكوّنات (C) — وهو أقل عدد من الأنواع الكيميائية المستقلة اللازمة لتحديد كل طور — ثم أدخل عدد الأطوار (P) مثل الصلب والسائل والغاز أو البِنى الصلبة المختلفة. تُرجِع الحاسبة فورًا قيمة F، أي درجات الحرية. فإذا كانت \(F = 0\) فالنظام عديم التغيّر (مثبَّت عند نقطة واحدة، كالنقطة الثلاثية)، وإذا كانت \(F = 1\) فهو أحادي التغيّر، وإذا كانت \(F = 2\) فهو ثنائي التغيّر.
شرح الصيغة
كل طور يضيف قيودًا عبر الاتزان بين الأطوار، في حين يضيف كل مكوّن والمتغيّران الحاليان (T وP) قدرًا من الحرية. وبطرح عدد الأطوار من عدد المكوّنات ثم إضافة 2، نحصل على العدد الصافي للمتغيّرات التي يمكنك تغييرها بشكل مستقل. وإذا ثُبّت الضغط (قاعدة الطور المختزَلة الخاصة بالأطوار المكثّفة) تصبح الصيغة \(F = C - P + 1\).
مثال محلول
لنأخذ الماء النقي عند نقطته الثلاثية. هنا \(C = 1\) (ماء فقط) وP = 3 (الجليد والماء السائل والبخار يتعايشون معًا). فتكون $$F = 1 - 3 + 2 = 0$$ ما يعني أنّ النقطة الثلاثية عديمة التغيّر — فهي توجد عند درجة حرارة وضغط محدَّدين بدقّة لا غير. أمّا في حالة الماء السائل وحده (\(C = 1\)، \(P = 1\)) فتكون $$F = 1 - 1 + 2 = 2$$ أي يمكن تغيير كلٍّ من درجة الحرارة والضغط بحرّية.
الأسئلة الشائعة
لماذا الرقم «+2»؟ لأنّه يمثّل المتغيّرين المكثّفين، درجة الحرارة والضغط، اللذين يؤثّران في اتزان الأطوار.
هل يمكن أن تكون F سالبة؟ لا. القيمة السالبة تدلّ على تركيبة مستحيلة (مقيَّدة أكثر من اللازم) من المكوّنات والأطوار يتعذّر تعايشها في حالة اتزان.
ماذا لو كان الضغط ثابتًا؟ استخدم قاعدة الطور المختزَلة \(F = C - P + 1\) وهي شائعة في علم المعادن والأنظمة ذات الأطوار المكثّفة.
