Общие представления о фазовых переходах

1. Фаза вещества. Три агрегатных состояния. Плазма.

2. Условия устойчивости фаз при заданных внешних условиях. Термодинамический потенциал.

3. Фазовые переходы первого и второго рода.

4. Динамическое равновесие фаз. Кривые равновесия фаз. Фазовые диаграммы.

5. Тройная точка. Критическое состояние вещества.

6. Влияние давления на фазовые переходы первого рода. Уравнение Клапейрона–Клаузиуса. Экстремальные состояния вещества при больших давлениях.

В модели идеального газа не учитывается потенциальная энергия взаимодействия между частицами, роль которой растет с уменьшением температуры и повышением давления. Это взаимодействие приводит к тому, что в зависимости от условий одно и то же вещество может находиться в разных фазах.

Фазы вещества характеризуются следующими общими признаками:

1. макроскопичность (достаточно большое число частиц);

2. однородность (свойства всех макроскопических элементов системы одинаковые);

3. наличие поверхности, отделяющей данную фазу от окружающей среды или другой фазы.

Агрегатные состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное) являются фазами, отличающимися друг от друга пространственным распределением и тепловым движением частиц.

Твердые тела в равновесном стабильном состоянии имеют кристаллическое строение. Частицы кристалла распределены в пространстве строго периодически, образуя кристаллическую решетку с минимумом потенциальной энергии взаимодействия частиц. Твердое состояние одного и того же вещества может существовать в разных кристаллических модификациях, каждая из которых представляет собой отдельную фазу. Это явление называется полиморфизмом. Твердый углерод существует в виде графита и алмаза, железо имеет α-, β-, γ- и δ-модификации, а лед обладает семью модификациями. Лед №6, впервые полученный П. Бриджменом при давлении , плавится при температуре и называется «горячим льдом».

В случае жидкости определенная структура в расположении частиц наблюдается только на достаточно малых расстояниях (существует лишь так называемый ближний порядок). В течение времени оседлой жизни, зависящей от температуры, частицы жидкости совершают колебания около своих положений равновесия. Если частица за счет взаимодействия со своими соседями приобретает достаточную энергию, то она может перейти в новое положение равновесия.

Пространственное распределение частиц газа имеет такую же симметрию, что и пространственное распределение частиц жидкости, если пренебречь ближним порядком и рассматривать достаточно большие объемы жидкости. Тогда различие между этими двумя пространственными распределениями становится чисто количественным в отношении среднего расстояния между частицами.

Тепловое движение в твердых телах представляет собой колебания частиц в узлах кристаллической решетки. Амплитуда этих колебаний определяется температурой тела. В жидкостях большая часть энергии теплового движения частиц связана с их колебаниями около положений равновесия и лишь очень малая часть тепловой энергии приходится на поступательное движение. Частицы газа совершают только поступательное тепловое движение, если пренебречь их размерами и внутренней структурой.

При достаточно низкой температуре все вещества за исключением жидкого гелия существуют в твердом состоянии. С ростом температуры вещество переходит из твердого состояния в жидкое, затем в газообразное и, наконец, если температура превысит температуру ионизации , где – энергия ионизации атомов, k – постоянная Больцмана, вещество ионизируется и возникает плазма, состоящая из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Энергия ионизации атомов , поэтому . В зависимости от температуры кинетическая энергия частиц плазмы 1–10⁶эВ, тогда как энергия теплового движения частиц твердых тел, жидкостей и газов не превышает 1эВ.

Большая тепловая энергия частиц плазмы делает ее перспективным рабочим телом для создания тепловых машин и установок управляемого термоядерного синтеза. Устойчивое протекание в плазме термоядерных реакций требует выполнения критерия Лоусона ,где n – концентрация частиц и τ – время удержания этой концентрации, а также высокой температуры Т. Создание опытной установки управляемого термоядерного синтеза планируется завершить в 20-е годы этого столетия. Отметим, что на плазму, из которой состоят звезды, приходится около 99% всего обычного видимого вещества нашей Вселенной.

В дальнейшем вещество считается однокомпонентным, в нем не протекают химические реакции и на него не действуют внешние силовые поля (гравитационное и электромагнитное поля). Фазовый переход есть скачкообразное изменение физических свойств вещества при непрерывном изменении внешних параметров вследствие потери устойчивости исходной фазы и перехода вещества в новую фазу.