Глава X. Изменение агрегатного состояния вещества (фазовые превращения)

§ 62. Понятие о фазовых превращениях и диаграмме состояний вещества

Как уже отмечалось ранее (см. § 35), всякое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Эти состояния называются также фазами вещества. От соотношения между средней кинетической и средней потенциальной энергиями частиц вещества (молекул, атомов, ионов) зависит, в какой именно фазе оно будет находиться (см. § 51), а это соотношение в свою очередь зависит от внешних условий: от температуры и давления. При высоких температурах и низких давлениях вещество находится в газообразной фазе, при низких температурах и высоких давлениях — в твердой фазе, промежуточные значения температуры и давления соответствуют жидкой фазе вещества. Таким образом, в конечном счете фазовые превращения вещества обусловлены изменениями температуры и давления.

Вместо того чтобы описывать условия (температуру и давление) существования фаз данного вещества посредством числовой таблицы, общепринято пользоваться графиком с координатными осями (температура) и (давление). Такой график называется диаграммой состояний или диаграммой равновесия фаз.

На рис. 120 изображена примерная диаграмма состояний некоторого вещества. Линиями и поле диаграммы разделяется на три области, соответствующие условиям существования твердой I, жидкой II и газообразной III фаз. Линии диаграммы называются кривыми фазового равновесия. Они соответствуют условиям сколь угодно долгого сосуществования (равновесия) двух смежных фаз: кривая сосуществованию твердого тела и жидкости, кривая жидкости и газа, кривая твердого тела и газа. Точка называется тройной; она

Рис. 120

соответствует условиям сосуществования всех трех фаз вещества. Например, тройная точка воды соответствует одновременному существованию льда, воды и водяного пара, соприкасающихся между собой. Тройная точка воды характеризуется температурой и давлением .

Диаграмма равновесия фаз удобна для выяснения вопроса о том, в каком состоянии находится данное вещество при заданных условиях и Ответ получается сразу же после построения на диаграмме точки по заданным координатам Например, при условиях, соответствующих точке вещество находится в газообразном состоянии, При условиях, соответствующих точке 2, — в твердом состоянии, а при условиях, соответствующих точке одновременно в твердом и жидком состояниях (равновесие фаз).

На диаграмме удобно изображать также процессы изменения состояния вещества. Например, изобарическое нагревание вещества, находящегося в твердом состоянии (точка 4), изображается прерывистой прямой, параллельной оси абсцисс. Эта прямая показывает, что при температуре, соответствующей точке 5, тело начинает плавиться, при более высокой температуре превращается в жидкость, при температуре, соответствующей точке 6, начинает превращаться в газ и при дальнейшем повышении температуры целиком переходит в газообразное состояние.

Фазовые превращения вещества служат ярким примером проявления общего закона диалектического материализма — закона перехода количественных изменений в качественные. Например, постепенное повышение температуры твердого тела ведет к накапливанию в нем количества — к увеличению кинетической энергии молекул тела — с сохранением качества: тело продолжает оставаться в твердом состоянии. На определенной стадии нагревания совершается скачкообразный переход количества в качество: при определенной температуре тело плавится, переходя в качественно новое (жидкое) состояние.

В последующих параграфах мы познакомимся с фазовыми превращениями вещества более подробно.