Фазовое состояние¶

Фазовое состояние — это термодинамическое состояние вещества, характеризующееся определённым набором физических свойств (плотность, упругость, вязкость, теплопроводность), которое зависит от внешних условий (температура, давление) и определяется характером взаимодействия между частицами (атомами, молекулами, ионами). Переход между фазовыми состояниями называется фазовым переходом и сопровождается скачкообразным изменением внутренней энергии, энтропии и объёма системы. Классически выделяют три основных агрегатных состояния — твёрдое, жидкое и газообразное, а также четвёртое, менее распространённое в обычных условиях — плазму. Существуют и другие, более экзотические фазовые состояния, такие как сверхтекучая жидкость, сверхпроводящее состояние, конденсат Бозе — Эйнштейна, жидкие кристаллы и аморфные тела.

¶История развития понятия

Понятие фазового состояния формировалось в науке постепенно. Древнегреческие философы (Фалес, Анаксимен, Гераклит) выделяли четыре стихии — землю, воду, воздух и огонь, что можно считать прообразом современных представлений о твёрдом, жидком, газообразном состояниях и плазме. В XVII—XVIII веках Роберт Бойль, Эдм Мариотт и Жак Шарль экспериментально изучали свойства газов, заложив основы газовых законов. В 1742 году Андерс Цельсий предложил стоградусную шкалу температур, что позволило количественно описывать фазовые переходы.

В XIX веке Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл разработали теорию электромагнетизма, которая объяснила поведение плазмы. В 1873 году Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс вывел уравнение состояния, описывающее переход между газом и жидкостью. В 1908 году Хейке Камерлинг-Оннес впервые получил жидкий гелий, а в 1911 году открыл сверхпроводимость — новое фазовое состояние. В 1938 году Пётр Капица и Джон Аллен независимо открыли сверхтекучесть гелия-4. В 1995 году Эрик Корнелл, Карл Вайман и Вольфганг Кеттерле экспериментально получили конденсат Бозе — Эйнштейна, за что были удостоены Нобелевской премии по физике в 2001 году.

¶Основные фазовые состояния

¶Твёрдое состояние

Твёрдое тело характеризуется фиксированной формой и объёмом, а также высокой плотностью. Частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены в кристаллической решётке (для кристаллических твёрдых тел) или хаотично (для аморфных тел, например, стекла). Кристаллические твёрдые тела имеют дальний порядок — периодическое расположение частиц в трёх измерениях. Аморфные тела обладают ближним порядком, но не имеют дальнего. Примерами твёрдых тел являются лёд (кристаллическая вода), алмаз, кварц, металлы (железо, алюминий), полимеры (полиэтилен).

¶Жидкое состояние

Жидкость имеет фиксированный объём, но принимает форму сосуда, в котором находится. Частицы жидкости находятся в непрерывном хаотическом движении, но сохраняют ближний порядок — каждая молекула окружена несколькими соседями, которые постоянно меняются. Жидкости обладают текучестью и вязкостью. Классические примеры: вода, ртуть, масло, спирт. При нормальных условиях (0 °C, 1 атм) вода находится в жидком состоянии.

¶Газообразное состояние

Газ не имеет ни фиксированной формы, ни фиксированного объёма — он заполняет весь доступный сосуд. Частицы газа движутся хаотически с большими скоростями, расстояния между ними значительно превышают размеры самих частиц. Взаимодействие между частицами слабое, в основном упругие столкновения. Газы легко сжимаются и расширяются. Примеры: воздух (смесь газов), кислород, водород, углекислый газ, азот. При нормальных условиях вода в газообразном состоянии — водяной пар.

¶Плазма

Плазма — ионизированный газ, состоящий из свободных электронов, положительных ионов и нейтральных атомов. Плазма обладает высокой электропроводностью и реагирует на электромагнитные поля. В природе плазма встречается в виде молний, полярных сияний, солнечного ветра, звёзд (включая Солнце). В лабораторных условиях плазма создаётся в газоразрядных лампах, плазменных резаках, термоядерных реакторах (токамаках). Плазма составляет более 99% видимой материи во Вселенной.

¶Фазовые переходы

Фазовый переход — это процесс перехода вещества из одного фазового состояния в другое при изменении внешних условий (температуры, давления). Различают фазовые переходы первого и второго рода.

¶Фазовые переходы первого рода

Сопровождаются поглощением или выделением скрытой теплоты и скачкообразным изменением объёма и энтропии. Примеры:

• Плавление (твёрдое → жидкое): лёд → вода при 0 °C (1 атм).
• Кристаллизация (жидкое → твёрдое): вода → лёд.
• Испарение (жидкое → газ): вода → пар при 100 °C (1 атм).
• Конденсация (газ → жидкое): пар → вода.
• Сублимация (твёрдое → газ): сухой лёд (твёрдый CO₂) → газ без промежуточной жидкости.
• Десублимация (газ → твёрдое): иней на траве.

¶Фазовые переходы второго рода

Не сопровождаются выделением или поглощением теплоты, но происходит скачкообразное изменение теплоёмкости, сжимаемости и других производных термодинамических потенциалов. Примеры:

• Переход ферромагнетика в парамагнетик при температуре Кюри (например, железо при 770 °C).
• Переход нормального металла в сверхпроводящее состояние при критической температуре (для ртути — 4,15 К).
• Переход гелия-4 из нормальной жидкости в сверхтекучее состояние при 2,17 К (лямбда-точка).

¶Фазовая диаграмма

Фазовая диаграмма — графическое представление зависимости фазового состояния вещества от температуры и давления. На диаграмме выделяют области существования каждой фазы, разделённые линиями фазовых переходов. Точка, где сходятся три линии (например, твёрдое — жидкое — газ), называется тройной точкой. Для воды тройная точка находится при 0,01 °C и 611,73 Па — в этой точке лёд, вода и пар сосуществуют в равновесии. Критическая точка — температура и давление, выше которых невозможно различить жидкость и газ (для воды — 374 °C, 22,064 МПа). Выше критической точки вещество находится в сверхкритическом состоянии, обладающем свойствами как жидкости, так и газа.

¶Экзотические фазовые состояния

¶Сверхтекучая жидкость

Сверхтекучесть — состояние, при котором жидкость течёт без вязкости. Открыта в 1938 году для гелия-4 при температурах ниже 2,17 К. Сверхтекучий гелий способен просачиваться через мельчайшие поры, подниматься по стенкам сосуда против силы тяжести и образовывать квантованные вихри. В 1972 году сверхтекучесть обнаружена у гелия-3 при температурах около 0,001 К.

¶Сверхпроводящее состояние

Сверхпроводимость — полное исчезновение электрического сопротивления у некоторых материалов при охлаждении ниже критической температуры. Открыта Хейке Камерлинг-Оннесом в 1911 году для ртути (4,15 К). В 1986 году открыты высокотемпературные сверхпроводники (например, YBa₂Cu₃O₇ с критической температурой около 93 К). Сверхпроводящее состояние разрушается сильным магнитным полем (критическое поле) и большим током.

¶Конденсат Бозе — Эйнштейна

Конденсат Бозе — Эйнштейна (КБЭ) — состояние вещества, в котором большое количество бозонов (частиц с целым спином) занимает одно и то же квантовое состояние с минимальной энергией. Предсказан Альбертом Эйнштейном в 1925 году на основе работ Сатьендры Бозе. Впервые получен экспериментально в 1995 году для атомов рубидия-87 при температуре около 170 нанокельвинов. КБЭ проявляет квантовые свойства на макроскопическом уровне, например, когерентность и интерференцию.

¶Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы — состояние, промежуточное между твёрдым кристаллическим и жидким. Молекулы жидких кристаллов обладают ориентационным порядком (направлены в определённом направлении), но не имеют трансляционного порядка (могут перемещаться). Различают нематические (молекулы ориентированы параллельно), смектические (слоистая структура) и холестерические (спиральная структура) жидкие кристаллы. Широко применяются в дисплеях (LCD-экраны).

¶Аморфное состояние

Аморфные тела — твёрдые вещества, не имеющие кристаллической решётки. Атомы расположены хаотично, как в жидкости, но фиксированы (высокая вязкость). Примеры: стекло, янтарь, некоторые полимеры (полистирол). Аморфные тела не имеют точки плавления — при нагревании они постепенно размягчаются, переходя в вязкотекучее состояние.

¶Применение знаний о фазовых состояниях

Понимание фазовых состояний и переходов имеет огромное практическое значение:

• Металлургия: плавление и кристаллизация металлов для литья, термообработка (закалка, отжиг) для изменения свойств.
• Энергетика: паровые турбины (испарение и конденсация воды), тепловые насосы (использование фазовых переходов хладагентов).
• Криогеника: сжижение газов (кислород, азот, водород, гелий) для хранения и транспортировки.
• Электроника: сверхпроводящие магниты для МРТ, жидкокристаллические дисплеи.
• Медицина: криохирургия (замораживание тканей), плазменная стерилизация.
• Космонавтика: использование жидкого водорода и кислорода как ракетного топлива.

¶Критика и ограничения

Понятие фазового состояния является макроскопическим и не всегда применимо к нанообъектам (наночастицы, тонкие плёнки), где поверхностные эффекты доминируют. В условиях высоких давлений и температур (например, внутри планет) могут существовать экзотические фазы, такие как металлический водород, который пока не получен в лаборатории в стабильном виде. Также существуют метастабильные состояния (например, переохлаждённая вода), которые не являются равновесными, но могут существовать длительное время.

¶Источники

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — М.: Наука, 1976.
• Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М.: Наука, 1976.
• Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Том 4. — М.: Мир, 1967.
• Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. — М.: Мир, 1973.
• Химическая энциклопедия: в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1988—1998.