Теоретические нзотермь. Анализ изотерм ван-дер-ваальсовского газа дает возможность получить весьма существенные результаты. На рис. 5.1 показаны три наиболее характерные изотермы $(1,2,3)$, соответствующие уравнению (1.42) Ван-дер-Ваальса при температурах $T_{1}<T_{2}<T_{3}$. При достаточно высокой температуре изотерма близка к изотерме идеального газа. Но при температуре $T_{2}$ на изотерме появляется точка перегиба $K$, в которой $\partial p / \partial V=0$. Точку $K$ называют кри тической точкой. Соответствующие ей температуру и изотерму

Рис. 5.1 называют также критическими.

Еще интересней ведет себя изотерма при $T_{1}$ : она содержит волнообразный участок, между точками $A$ и $B$ которого $\partial p / \partial V>0$. Очевидно, такого не может быть, чтобы с изотермическим увеличением объема росло бы и давление.

Экспериментальные изотермы. Что же дает эксперимент? Его результаты представлены на рис. 5.2. Первое впечатление от этого рисунка – тут что-то не так: ведь горизонтальный участок говорит о том, что с изотермическим увеличением объема газа его давление не меняется. Но горизонтальный участок наблюдается, и с ним связано новое явление. Представим себе прозрачный цилиндр с поршнем и внутри цилиндра газ. Начнем его сжимать по изотерме 1 и следить за тем, что про-
Рис. 5.2

исходит в цилиндре. При достижении объема $V_{\mathrm{r}}$ цилиндр заполнен одним газом, но при дальнейшем сжатии наряду с газом появится жидкость, количество которой постепенно будет расти, а давление оставаться постоянным. Когда объем достигнет $V_{\text {ж }}$, он целиком окажется заполненным жидкостью.

Таким образом, на участке $C D$ мы наблюдаем так называемый фазовый переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Это позволяет сделать вывод: если фазовый переход происходит изотермически, то он совершается при $p$ = const. Оказывается, это общее свойсттво всех фазовых переходов: не только газообразной фазы в жидкую (и наоборот), но и жидкой фазы в твердую и т.д.

Вообще, фазой называют физически однородную часть вещества, отделенную от других частей системы границей раздела. Например, вода и лед, вода и ртуть, графит и алмаз, но вода и спирт – это одна фаза.

Вернемся к рис. 5.2, где показаны экспериментальные изотермы. Всем горизонтальным изотермам в области под пунктирной кривой (она слабо тонирована) соответствуют двухфазные состояния – жидкость с паром, находящиеся в равновесии друг с другом. Такой пар называют насыщенным.

Левее двухфазной области расположена область, соответствующая одной фазе – жидкости (она тонирована сильнее). Здесь изотермы идут очень круто, что отвечает малой сжимаемости жидкости. Правее двухфазной области вещество находится в газообразном состоянии. Причем все состояния вне этой двухфазной области неплохо описываются уравнением Ван-дер-Ваальса. Это говорит о том, что данное уравнение описывает состояние вещества не только в газообразном, но и в жидком состоянии*.

Таким образом, если газ начинают сжимать, например, по изотерме 1 (см. рис. 5.2), то он переходит в двухфазное состояние (горизонтальный участок изотермы $C D$ ) жидкость + насыщенный пар. Объем жидкой фазы растет по мере приближения к точке $C$, после которой остается одна фаза – жидкость. Но это не всё.
* Заметим, что горизонтальный участок реальной изотермы (он изображен пунктиром на рис. 5.1) расположен на таком уровне, что охватываемые волнообразной изотермой площади под пунктирной прямой и над ней одинаковы.

Метастабильные состояния. Более тщательные эксперименты (вещество очищалось от примесей и процесс проводился осторожнее) позволили обнаружить, что при изотермическом сжатии газа его можно довести до состояния $B$ (рис. 5.3), а при расширении жидкости – до состояния $A$. T. е. реализуются участки, предсказываемые уравнением Ван-дер-Ваальса.
Pис. 5.3
Особенности этих участков в том, что каждая точка их соответствует неравновесному состоянию при данной температуре. Эти состояния называют метастабильными. При малейшем возмущении вещества в этих состояниях происходит распад его на две фазы, соответствующие равновесному состоянию (это показано тонкими вертикальными стрелками на рисунке).

Участок $B D$ описывает состояния, которые называют пересыщенным паром, а участок $C A$ – перегретой жидкостью. Пересыщенный пар можно получить, подвергнув непересыщенный пар резкому, т.е. адиабатному расширению. Пар при этом охлаждается и становится пересыщенным. Это используют в камере Вильсона – приборе для наблюдения следов (треков) заряженных частиц. Последние, пролетая через пересыщенный пар, оставляют цепочку ионов, на которых и происходит конденсация пара в результате распада метастабильного состояния. В итоге образуется цепочка капелек – след частицы.

Перегретая жидкость также нашла применение – в пузырьковых жидководородных камерах. Заряженная частица, пролетая через перегретую жидкость, также оставляет цепочку ионов, на которых происходит парообразование. Возникает цепочка пузырьков – след пролетевшей частицы.