§ 3. АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ. РАВНОВЕСНЫЕ И НЕРАВНОВЕСНЫЕ СОСТОЯНИЯ И ПРОЦЕССЫ

Всевозможные состояния, в которых может находиться то или иное вещество, прежде всего разбиваются на так называемые агрегатные состояния: твердое, жидкое и газообразное. Эти состояния выделяются по основным физическим свойствам вещества.

Следует учесть, что у некоторых веществ нет резкой границы между различными агрегатными состояниями. Например, при нагревании стекла происходит постепенное его размягчение и невозможно установить, когда оно переходит из твердого состояния в жидкое. При очень большом внешнем давлении твердые металлы начинают «течь», т. е., подобно жидкости, принимают форму сосуда, в котором они находятся.

Различные состояния одного и того же вещества можно отличать друг от друга также и по значениям физических величин, которые характеризуют эти состояния, например по значениям объема, температуры и давления. Поэтому каждому агрегатному состоянию вещества соответствует бесконечное множество различных состояний, которые отличаются друг от друга различными значениями объема, давления, температуры и других физических величин; при изменении этих величин вещество переходит из одного состояния в другое, оставаясь твердым, жидким или газообразным.

УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ

Физические величины, характеризующие то или иное состояние вещества, иногда называют параметрами состояния. Основными параметрами являются объем V, внешнее давление и температура Если между параметрами состояния существует какое-нибудь определенное однозначное соотношение, которое сохраняется при переходе из одного состояния в другое, то это соотношение называется уравнением состояния. Например, для разреженных газов соблюдается уравнение

Это соотношение связывает между собой значения объема, давления и температуры для множества отличающихся друг от друга состояний данной массы газообразного вещества. Для других агрегатных состояний — твердого и жидкого — такие простые соотношения между параметрами не найдены.

Следует различать два вида переходов вещества из одного состояния в другое:

1) переходы, при которых меняются только численные значения параметров, характеризующих состояние вещества (объема, давления Температуры и др.), но состав, строение вещества, его агрегатное состояние не изменяются. Такими переходами являются сжатие, расширение, нагревание газов, а также твердых и жидких тел при условий, что в них не происходит изменений в составе, структуре и физических свойствах;

2) переходы, при которых или происходит изменение агрегатного состояния вещества или существенно изменяются его состав, строение и физические свойства. Такие переходы называются фазовыми переходами; к ним относятся испарение и конденсация, плавление и отвердевание, кристаллизация и перекристаллизация, переходы металлов в сверхпроводящее состояние и т. д.

При некоторых фазовых переходах происходит изменение агрегатного состояния вещества, например вещество из твердого состояния переходит в жидкое или газообразное и наоборот. При этом изменяются взаимное расположение молекул, расстояние между ними, характер их теплового движения. Постоянство состава вещества при фазовых переходах такого рода можно иллюстрировать на примере воды: таяние льда или испарение воды не сопровождается изменением состава молекулы воды

При других фазовых переходах агрегатное состояние вещества сохраняется, но в веществе происходят существенные изменения в строении или структуре (взаимном расположении молекул), вследствие чего заметно изменяются физические свойства вещества. К таким переходам относятся: потеря ферромагнитных свойств железом при нагревании его до температуры и выше, переход некоторых металлов в сверхпроводящее состояние при очень низких температурах (когда электрическое сопротивление этих металлов скачком уменьшается до нуля), переход кристаллического вещества из одной модификации в другую и т. д.