Fugazität

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Die Fugazität bzw. ist eine Größe aus der Physik, die je nach Fachgebiet unterschiedlich definiert ist.

Statistische Physik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der statistischen Physik, die die Grundlage der Thermodynamik bildet, ist die Fugazität definiert als dimensionslose Funktion des chemischen Potentials und der Temperatur :

mit

Die Fugazität taucht auf als Faktor beim Übergang von der kanonischen Zustandssumme , die Systeme mit konstanter Teilchenzahl beschreibt, zur großkanonischen Zustandssumme , die zur Beschreibung von Systemen mit variabler Teilchenzahl geeignet ist:

Thermodynamik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der Thermodynamik ist die Fugazität eine intensive Zustandsgröße, die die Einheit des Druckes (z.B. Pascal) hat. Sie wurde von Gilbert Newton Lewis zunächst als "escaping tendency" eingeführt; der Name wurde von ihm selbst zu "fugacity" abgekürzt.[1] Sie beschreibt die Tendenz eines Stoffes, eine Phase zu verlassen (fugare, lat. "fliehen").

Definition[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Fugazität wird über die Druckabhängigkeit der spezifischen Gibbs-Energie eingeführt.

Für ein ideales Gas gilt (aufgrund seiner Zustandsgleichung und der Fundamentalgleichung der Gibbs-Energie) bei einer isothermen Zustandsänderung von einem Druck zu :

mit

Die Fugazität wird so definiert, dass bei einem realen Fluid gilt (mit einer beliebigen Referenz-Fugazität ):

Wird die erste Gleichung von der zweiten abgezogen, so erhält man:

Wenn man den Referenzdruck (Index 0) nun gegen null gehen lässt, verschwindet der Unterschied zwischen realer und idealer Gibbs-Energie, auf der rechten Seite gehen Referenz-Fugazität und -druck ineinander über:

Statt der Fugazität wird häufiger der dimensionslose Fugazitätskoeffizient verwendet:

der in Mehrstoffsystemen über den Partialdruck definiert wird ( ist der Stoffmengenanteil):

Über die Beziehung

mit

kann die Fugazität aus Messwerten oder mit einer Zustandsgleichung berechnet werden.

Kriterium für Phasengleichgewichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Fugazität ist wie das chemische Potential ein Kriterium für ein Phasengleichgewicht: ist die Fugazität einer Komponente in allen vorliegenden Phasen gleich (aber nicht die Fugazität verschiedener Komponenten in derselben Phase), so stehen diese Phasen im Gleichgewicht:

Aus dieser Bedingung lässt sich folgende Beziehung für Dampf-Flüssig-Gleichgewichte ableiten, mit der sich z. B. Phasendiagramme bei der Auslegung von Rektifikationskolonnen berechnen lassen und die daher von großer Bedeutung in der Verfahrenstechnik ist:

Dabei stehen

Mit dem Exponentialterm, dem Poynting-Faktor, wird die Abweichung vom Dampfdruck berücksichtigt; er liegt oft sehr nahe bei Eins und wird dann vernachlässigt. Der Fugazitätskoeffizient auf der rechten Seite berücksichtigt die Nichtidealität der Dampfphase.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. G. N. Lewis: The Law of Physico-Chemical Change. In: Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences. American Academy of Arts & Sciences, Vol. 37, No. 3 (Jun., 1901), S. 49-69.