Phasengleichgewicht

Phasengleichgewicht bezeichnet einen thermodynamischen Zustand, in dem mehrere Phasen eines Systems bei bestimmten Temperatur, Druck und Zusammensetzung koexistieren und sich die Phasenanteile nicht mehr ändern. In diesem Gleichgewicht haben die beteiligten Phasen dieselben chemischen Potenziale für jeden Bestandteil, das heißt μ_i in allen koexistierenden Phasen ist identisch.

Die Voraussetzung für Phasengleichgewicht ist die Gleichwertigkeit der chemischen Potenziale der Komponenten zwischen allen Phasen. In praktischen Diagrammen bedeutet dies, dass sich Phasenlinien bei bestimmten Temperaturen und Drücken bilden, entlang derer Phasen auftreten oder verschwinden. Die Gibbs-Phasenregel beschreibt die Anzahl der Freiheitsgrade eines Systems in Gleichgewichtszuständen und hängt von der Anzahl der Komponenten C und der Anzahl der Phasen P ab (F = C − P + 2). Sie erklärt, warum komplexe Phasenverläufe in Mehrkomponentensystemen möglich sind und wie viele unabhängige Variablen festgelegt bleiben müssen.

Typische Beispiele sind das Phasengleichgewicht zwischen festem Eis, flüssigem Wasser und Wasserdampf bei atmosphärischem Druck, oder in Legierungen das Gleichgewicht zweier oder mehrerer fester Phasen bei bestimmten Temperaturen (z. B. Eutektikum, Peritektikum). In zweiphasigen Grenzflächen wandern das Verhältnis der Phasenanteile entsprechend den Bedingungen.

Anwendungen finden sich in der Materialwissenschaft, Metallurgie, Geochemie, der Trenntechnik wie Destillation oder Kristallisation. Phasendiagramme dienen zur Vorhersage von Phasenabfolgen, Mischbarkeit und festen Lösungen sowie zur Optimierung von Herstellungsprozessen. Metastabile Zustände liegen außerhalb des Gleichgewichts und werden hier nicht primär behandelt.