Разделение фаз — это создание двух отдельных фаз из одной однородной смеси . [1] Наиболее распространенный тип разделения фаз — между двумя несмешивающимися жидкостями, такими как масло и вода. Этот тип разделения фаз известен как равновесие жидкость-жидкость. Коллоиды образуются путем разделения фаз, хотя не все разделения фаз образуют коллоиды — например, масло и вода могут образовывать разделенные слои под действием силы тяжести, а не оставаться в виде микроскопических капель во взвешенном состоянии.
Распространенная форма спонтанного разделения фаз называется спинодальным распадом ; она описывается уравнением Кана-Хилларда . Области фазовой диаграммы , в которых происходит разделение фаз, называются интервалами смешиваемости . Следует отметить две граничные кривые: кривая сосуществования бинодали и кривая спинодали . По одну сторону от бинодали смеси абсолютно стабильны. Между бинодалью и спинодалью смеси могут быть метастабильными : оставаясь смешанными (или несмешанными) при отсутствии какого-либо большого возмущения. Область за спинодальной кривой абсолютно нестабильна и (если начинается из смешанного состояния) будет спонтанно разделяться на фазы.
Верхняя критическая температура растворения (UCST) и нижняя критическая температура растворения (LCST) — это две критические температуры , выше или ниже которых компоненты смеси смешиваются во всех пропорциях. Редко встречаются системы, в которых есть обе температуры, но некоторые существуют: система никотин -вода имеет LCST 61 °C, а также UCST 210 °C при давлениях, достаточно высоких для существования жидкой воды при этой температуре. Таким образом, компоненты смешиваются во всех пропорциях ниже 61 °C и выше 210 °C (при высоком давлении) и частично смешиваются в интервале от 61 до 210 °C. [2] [3]
Смешивание регулируется свободной энергией Гиббса , при этом происходит разделение фаз или смешивание в зависимости от того, какой случай снижает свободную энергию Гиббса. Свободную энергию можно разложить на две части: с энтальпией , температурой и энтропией . Таким образом, изменение свободной энергии при смешивании является суммой энтальпии смешивания и энтропии смешивания . Энтальпия смешивания равна нулю для идеальных смесей , и идеальных смесей достаточно для описания многих общих решений. Таким образом, во многих случаях смешивание (или разделение фаз) обусловлено в первую очередь энтропией смешивания. Обычно энтропия увеличивается всякий раз, когда частица (атом, молекула) имеет большее пространство для исследования; и, таким образом, энтропия смешивания, как правило, положительна: компоненты смеси могут увеличивать свою энтропию, разделяя больший общий объем.
Разделение фаз затем обусловлено несколькими различными процессами. В одном случае энтальпия смешения положительна, а температура низкая: увеличение энтропии недостаточно для снижения свободной энергии. В другом, значительно более редком случае энтропия смешения « неблагоприятна », то есть она отрицательна. В этом случае, даже если изменение энтальпии отрицательно, разделение фаз произойдет, если только температура не будет достаточно низкой. Именно этот второй случай порождает идею о нижней критической температуре растворения.
Смесь двух изотопов гелия ( гелий-3 и гелий-4 ) в определенном диапазоне температур и концентраций разделяется на части. Первоначальная смесь двух изотопов спонтанно разделяется на -богатые и -богатые области. [4] Разделение фаз также существует в системах ультрахолодного газа . [5] Это было показано экспериментально в случае двухкомпонентного ультрахолодного ферми-газа . [6] [7] Разделение фаз может конкурировать с другими явлениями, такими как образование вихревой решетки или экзотическая фаза Фульде-Феррелла-Ларкина-Овчинникова . [8]
