§ 66. Фазы вещества

Испарение жидкости или плавление твердого тела относятся к категории процессов, которые называются в физике фазовыми переходами. Характерной особенностью этих процессов является их скачкообразность. Так, при нагревании льда его тепловое состояние меняется постепенным образом до момента, когда, по достижении температуры 0° С, лед внезапно начинает превращаться в жидкую воду, обладающую совершенно другими свойствами.

Состояния вещества, между которыми происходит фазовый переход, называются его фазами. В этом смысле различными фазами являются агрегатные состояния вещества: газообразное, жидкое и твердое. Так, лед, жидкая вода и пар — фазы воды. Понятие фаз, однако, является более широким, чем понятие об агрегатных состояниях; мы увидим, что могут существовать различные фазы и в пределах одного и того же агрегатного состояния.

Необходимо подчеркнуть, что, 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 всякого скачка (об этом уже говорилось в § 52); поэтому аморфное твердое состояние не представляет собой особой фазы вещества. Так, не являются различными фазами твердое и жидкое стекло.

Переход из одной фазы в другую происходит (при заданном давлении) всегда при строго определенной температуре. Так (при атмосферном давлении), лед начинает плавиться при 0° С и при дальнейшем нагревании температура остается неизменной вплоть до момента, когда весь лед превратится

в веду. В течение этого процесса лед и вода существуют одновременно, соприкасаясь друг с другом.

Здесь проявляется другой аспект температуры фазового перехода: это есть та температура, при которой имеет место тепловое равновесие между двумя фазами. В отсутствие 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 — из фаз. Так, при температуре ниже 0е С может существовать (при атмосферном давлении) только лед, а выше ОС — только жидкая вода.

При изменении давления меняется и температура фазового перехода. Другими словами, фазовый переход имеет место при строго определенной зависимости между давлением и температурой вещества. Эту зависимость можно изобразить графически в виде кривой на так называемой фазовой диаграмме (или диаграмме состояний), на осях координат которой откладываются давление р и температура Т.

Будем, например, говорить для определенности о фазовом переходе между жидкостью и ее паром. Кривая фазового перехода (или, как говорят в этом случае, кривая испарения) определяет условия, в которых жидкость и пар могут сосуществовать в равновесии друг с другом. Кривая разделяет плоскость на две части, из которых одна соответствует состояниям одной, а другая — состояниям другой фазы (рис. 1). Так как в данном случае при заданном давлении более высоким температурам соответствует пар, а более низким температурам — жидкость, то область справа от кривой соответствует газообразной, а область слева — жидкой фазе. Точки же самой кривой отвечают, как уже указывалось, состояниям, в которых существуют одновременно обе фазы.

Фазовую диаграмму можно изобразить не только в плоскости р, Т, но и в других координатах — р, V или Т, V, где V — объем, отнесенный к какому-либо определенному количеству вещества. Будем, например, понимать под V

удельный объем, т. е. объем одного грамма вещества (при этом 1/V есть плотность вещества).

Рассмотрим фазовую диаграмму в плоскости V, Т. Пусть мы имеем газ с удельным объемом и температурой, соответствующими некоторой точке а на рис. 2. Если сжимать газ при неизменной температуре, то точка, изображающая его состояние, будет передвигаться влево по прямой, параллельной оси V. При некотором определенном давлении, которому соответствует удельный объем VT (точка А), начнется конденсация газа в жидкость. С дальнейшим сжатием системы количество жидкости будет возрастать, а количество газа — уменьшаться и, наконец, при достижении определенной точки В все вещество станет жидким с удельным объемом V1K.

Удельные объемы полу чающихся друг из друга газа (VT) и жидкости (*/ж) являются функциями от температуры, при которой происходит переход. Изобразив эти две функции соответствующими кривыми, мы получим фазовую диаграмму изображенного на рис. 2 вида. Области диаграммы справа и слева от заштрихованной части соответствуют газообразной и жидкой фазам. Заштрихованная же область между обеими кривыми есть область расслоения на две фазы. Горизонтальная штриховка этой части диаграммы имеет определенный смысл: точки А и В пересечения горизонтальной прямой, проведенной через некоторую точку С этой области, определяют удельные объемы сосуществующих в этой точке жидкости и пара.

Различные точки отрезка АВ соответствуют, очевидно, равновесию одних и тех же жидкости и пара, но в различных относительных количествах. Обозначим относительные количества пара и жидкости в некоторой точке С через х и 1—х. Тогда общий объем системы (отнесенный к 1 г) будет равен

откуда Отношение этих величин

Мы видим, что количества пара и жидкости обратно пропорциональны длинам отрезков от точки С до точек А и В, соответствующих чистым пару и жидкости (это соотношение называют правилом рычага).

Совершенно аналогичным образом выглядит фазовая диаграмма, в которой на оси ординат откладывается давление, а не температура. Мы видим, что эти диаграммы не похожи по своему виду на диаграммы в плоскости р, Т. Область расслоения на две фазы, сжатая на диаграмме р, Т в одну линию, на диаграммах V, Т или V, р превращается в целую область. Происхождение этого отличия связано с тем, что находящиеся в равновесии фазы непременно имеют одинаковые температуры и давления, согласно общим условиям всякого теплового равновесия; удельные же объемы этих фаз различны.

Приведем здесь небольшую таблицу температур плавления и кипения некоторых веществ (при атмосферном давлении).

Из всех существующих в природе веществ гелий превращается в жидкость при наиболее низкой температуре (о затвердевании гелия будет идти речь в § 72). Из всех химических элементов вольфрам имеет наиболее высокие точки плавления и кипения.