Не почувствовали ли вы по фазовой диаграмме воды, что имеются какие-то законы, регламентирующие «условия жизни» фаз? Так, в однофазном состоянии система существует в широком диапазоне давлений и температур, в двухфазном — только при их определенных комбинациях, а трехфазная область на диаграмме вообще стягивается в точку. Так и хочется представить разные фазы в роли жильцов коммунальной квартиры: чем больше жильцов, тем меньше свободы у каждого из них. Впрочем, нельзя делать выводы на основании диаграммы од – ного-единственного вещества. А вдруг в другом все иначе?
И все-таки общий закон сосуществования фаз действительно есть. По имени своего первооткрывателя он называется правилом Гиббса. Этот человек сыграл совершенно исключительную роль в развитии термодинамики и статистической физики.
Во всех биографиях Гиббса подчеркивается, что его жизнь (1839—1903) была внешне бедна событиями. Все его силы были сконцентрированы на получении научных результатов, блеск которых не потускнел и еегодня. Со времени опубликования последней работы Гиббса прошло более 80 лет, но до сих пор в его трудах не обнаружено ни одной ошибки, а результаты продолжают использоваться практически в неизменном виде.
Гиббса часто называют первым физиком-теоретиком в Новом Свете. Он работал по существу в одиночку, а его единственными орудиями труда были бумага и перо. Достижения Гиббса поначалу были оценены лишь немногими. Но на рубеже XIX и XX веков его абстрактные идеи о равновесии в сложных системах проложили себе дорогу к широкому кругу ученых и инженеров и материализовались в промышленных процессах химии и металлургии.
Приведем оценку работ Гиббса, данную академиком Н. С. Курнаковым: «Современный период в развитии физико-химического анализа начинается с 1873—1878 гг., когда были напечатаны в трудах Коннектикутской Академии наук (Сев. Америка) классические мемуары Гиббса относительно равновесий неоднородных систем. Здесь были введены впервые новые понятия о фазах и компонентах (слагаемых), которые имели впоследствии громадное значение для изучения химических равновесий. Эти понятия в связи с знаменитым правилом фаз Гиббса внесли сюда единство и простоту и послужили основанием для классификации сложных явлений».
Начнем изучение правила фаз все с той же воды, находящейся в замкнутом сосуде при определенных давлении P и температуре Т. Предположим, что при этих значениях P и Г в равновесии находятся жидкая фаза и пар. Молекулы НгО в паре и жидкости пребывают в непрестанном тепловом движении. В результате некоторые из них покидают свою «материнскую» фазу и «перебазируются» в соседнюю — больше им ведь деться некуда. Количество молекул, которое в среднем будет улетать в единицу времени через единицу площади из жидкости, обозначим qx. От чего может зависеть это число? Поскольку, как мы уже отмечали, положение дел в замкнутом сосуде с чистой водой находится в прямой зависимости лишь от устанавливаемых извне давления и температуры, величина