فاز یکی از آن تعریف هایی است که همه ما با آن آشنایی داریم. برای اولین بار در مدرسه به ما آموخته اند که آب و یخ در دو فاز مایع و جامد قرار دارند. مرز بین آن ها را مرز فاز نامیدیم و گفتیم که حالت فیزیکی ماده در هر فازی متفاوت است. اما در این مقاله قصد داریم تا پا را فراتر گذاشته و تعریف بسیار دقیقی از فاز ارائه کنیم وسپس به سراغ قاعده فاز رفته و درباره آن صحبت کنیم.
فاز چیست؟
برای پاسخ به این سوال، می توان راه های مختلفی را در پیش گرفت. بنابراین ما تعریف فاز را در سطوح مختلف ارائه می کنیم. همه آن ها یک مفهوم واحد را می رسانند؛ در عین حال تفاوت هایی در بیان اصل مطلب دارند که در ادامه به آن ها اشاره می کنیم.
ساده ترین تعریف: فاز به ناحیه ای از فضا گفته می شود که ماده موجود در آن به صورت یکپارچه جامد، مایع یا گاز باشد.
بر اساس این تعریف، این که ماده از چه جنسی باشد اهمیتی نداشته و صرفا حالت فیزیکی آن، تعیین کننده محدوده فاز می باشد. یعنی، اگر یک تکه یخ داشته باشیم، مهم نیست که این یخ با چه مواد دیگری مخلوط شده باشد؛ صرف این که جامد باشد کافی است تا بگوییم که یک فاز جامد داریم.
تعریفی دقیق تر: فاز به ناحیه ای از فضا گفته می شود که ترکیب شیمیایی یکنواخت یا تقریبا یکنواختی دارد.
بر اساس این تعریف، باز هم این که ماده از چه جنسی باشد اهمیتی ندارد و صرفا حالت فیزیکی ماده تعیین کننده محدوده فاز ها می باشد. اما یک مطلب ساده اضافه شده است. گفته شده که ترکیب شیمیایی محدوده فاز باید یکنواخت یا تقریبا یکنواخت باشد. بر این اساس، یخ حاوی کمی شکر یا هر ماده دیگری، باز هم یک فاز به حساب می آید. اما یخ با آب، همچنان در دو فاز هستند.
یکنواختی ترکیب شیمیایی، یعنی ماده مورد نظر در محدوده فاز به صورت یکنواخت پخش شده باشد و هیچ اثر از تجمع یا پراکندگی غیر عادی مشاهده نشود. به عنوان مثال، یخی که مقداری هم شن و خاک دارد؛ باید به صورت یکدست یا تقریبا یکدست باشد. در این حالت هیچ قسمتی از یخ را نمی توان انتخاب کرد و گفت که به صورت مشخص، تجمع خاک در آن بیشتر یا کمتر از سایر نقاط است.
دقیق ترین تعریف: فاز به محدوده ای از فضای حاوی ماده گفته می شود که پتانسیل شیمیایی هر نقطه ای از آن با نقطه دیگر برابر است.
بر اساس این تعریف، فاز دیگر در حالت فیزیکی خلاصه نمی شود. بلکه ممکن است در یک توده آهن خالص هم فاز های مختلفی قابل مشاهده باشد. بر اساس این تعریف، پتانسیل شیمیایی تعیین کننده محدوده فاز ها می باشد. اگر در محدوده ای از فضا، یک فرم کریستالی و در محدوده دیگری فرم کریستالی دیگری مشاهده شود؛ در این صورت آن ها در فاز های مختلفی قرار دارند؛ این که ماده شیمیایی یکسانی هستند هیچ اهمیتی ندارد. همین که پتانسیل شیمیایی متفاوتی دارند یعنی این که در فاز های مختلفی هستند.
همانطور که می دانید؛ پتانسیل شیمیایی در جا به جایی بین دو نقطه از فرمول زیر به دست می آید.
در این فرمول، a فعالیت، T دما بر حسب کلوین و R ثابت عمومی گاز ها است. همانطور که می دانید؛ فعالیت شیمیایی از فرول زیر به دست آمده و داریم:
a فعالیت شیمیایی ماده x، و γ ضریب فعالیت و [X] غلظت ماده x بر حسب مولار است. بنابراین رابطه اولمان را می توانیم به صورت زیر بازنویسی کنیم.
بنابراین می توان چنین گفت که محیطی که یک فاز به حساب می آید باید دارای سه ویژگی یکسان باشد. اولین آن دما است. یعنی فضایی که دارای یک فاز یکپارچه باشد باید همه جای آن هم دما باشد. ویژگی دوم آن ضریب فعالیت است که ویژگی خاص هر ماده است. بنابراین می توان چنین گفت که فضای حاوی یک فاز یکپارچه باید از یک جنس ماده خاص باشد (خالص بوده و ناخالصی نداشته باشد).
ویژگی آخر آن داشتن غلظت یکسان است. یعنی در محیطی که قصد داریم تا تحت عنوان یک فاز اعلام کنیم؛ باید غلظت یکسان و یکنواختی داشته باشد. بنابراین با این حساب، حتی در یک قطعه از آهن خالص که در هر قست از آن یک شکل خاص کریستالی وجود داشته باشد به صورت فاز های کریستالی مختلف شناخته شده و به صورت ناحیه ای از یک فاز تعریف نمی شود.
