Фазовые переходы

Фазы — это совокупность однородных, одинаковых по сво­им свойствам частей системы. Различными фазами являются различные агрегатные состояния вещества – твердое, жидкое и газообразное. Если в воде находится лед, то си­стема состоит из трех фаз: льда, воды и паров воды в воздухе. Понятие фаз является более широким, чем понятие об агрегатных состояниях; различные фазы могут существовать в пределах одного и того же агрегатного состояния. Говоря о твердом состоянии как об особой фазе вещества (отличной от жидкой фазы), мы имеем в виду лишь твердое кристаллическое состояние. Аморфное твердое тело превращается при нагревании в жидкость путем постепенного размягчения, без скачка. Переход из одной фазы в другую происходит (при заданном давлении) всегда при строго определенной температуре. Температура фазового перехода это температура, при которой имеет место тепловое равновесие между двумя фазами. В отсутствии внешних воздействий (в том числе подвода внешнего тепла) две фазы при этой температуре сосуществуют неограниченно долго. Напротив, при температурах выше или ниже точки перехода может существовать лишь одна – та или другая фаза. При изменении давления изменяется и температура фазового перехода. Если две или больше различных фаз вещества при данной температуре и давлении существуют одновременно, соприкасаясь друг с другом и если при этом масса одной из фаз не растет за счет другой, то говорят о фазовом равновесии.

Переход вещества из одного состояния (фазы) в другое называется фазовым переходом или фазовым превращением.

При определенных условиях фазы могут находиться в равно­весии друг с другом. Состояния равновесия двух фаз изобразятся на диаграмме (р,Т) линией Р = f(T). Три фазы одного и того же вещества могут находиться в равновесии только при единственных значениях температуры и давления, которым на диаграмме (р,Т) соответствует тройная точка. Эта точка лежит на пересечении кривых равновесия фаз, взятых попарно.

Переход из одной фазы в другую обычно сопровождается поглощением или выделением некоторого количества теплоты, которую называют скрытой теплотой перехода. Такие фазовые переходы — это переходы первого рода. Фазовые переходы, ко­торые не связаны с поглощением или выделением теплоты и из­менением объема, называются переходами второго рода (например, некоторые переходы из одной кристаллической модификации в другую). На рис. изображена примерная диаграмма состояний некоторого вещества. Линиями AD (кривая плавления), BD (кривая сублимации), DC (кривая испарения) поле диа­граммы разделяется на три об­ласти, соответствующие услови­ям существования твердой I, жидкой II и газообразной III фаз. Точка D называется трой­ной точкой. Она соответствует условиям существования всех трех фаз вещества. По фазовой диаграмме легко определить, в каком состоянии находится данное вещество при заданных усло­виях (р и Т). Например, при условиях, соответствующих точке 2, вещество находится в жидком состоянии, при условиях, соответ­ствующих точке 3, вещество находится одновременно в жидком и газообразном состояниях.

На диаграмме удобно изображать также процессы измене­ния состояния вещества. Проследим изобарическое (р = const) нагревание вещества, находящегося в твердом состоянии — точка 5. При температуре, соответствующей точке 6, тело начинает плавиться, при температуре, соответствующей точке 3, — испаряться. При дальнейшем повышении температу­ры целиком переходит в газообразное состояние.

Фазовые превращения вещества служат ярким примером проявления закона перехода количественных изменений в качественные.