相圖

吉布斯相律(Gibbs phase rule)

相律是替你的自由度記帳。它回答一個很實用的問題:在圖上某一點,我可以獨立轉動幾個變數(溫度、壓力、組成)而不改變存在哪些相?就像在數你還能轉幾個旋鈕。

相律是 P + F = C + N。其中 P 是存在的相數,C 是成分數,F 是自由度(可獨立變動的條件數),N 是非組成變數的數目,通常為 2(溫度與壓力),若是在固定壓力下畫的凝聚相相圖則為 1。對固定壓力的二元合金,這給出 F = C - P + 1:在單相區 F = 2 - 1 + 1 = 2(可變溫度與組成),在兩相區 F = 2 - 2 + 1 = 1(只剩一個自由變數),三相時 F = 2 - 3 + 1 = 0。

最後這個 F = 0 的情形,正是共晶、共析、包晶被稱為不變點(invariant point)的原因:二元系統中三個相只能在唯一一個確切溫度與一組固定組成下並存,因此它們在圖上呈現為一條水平線。同一條相律也解釋了為何純水在壓力固定後會在單一固定溫度沸騰。

三相的二元共晶點:F = C - P + 1 = 2 - 3 + 1 = 0,因此是不變點,溫度與各相組成都固定。

自由度為零,正是不變反應發生在一條水平線上的原因。

一般固定壓力下的凝聚相二元圖用 N = 1,得 F = C - P + 1;單元系統的壓力-溫度圖用 N = 2,得 F = C - P + 2。選錯 N 是常見的錯誤。

又称
phase rule相律