§ 62. Фазовый переход

На примере рассмотренного только что явления конденсации газов мы видели, что могут существовать два различных состояния одного и того же вещества, при одних и тех же температуре и давлении. Состояния эти отличаются своими свойствами, в данном случае — плотностью.

Вообще, если система разделяется на граничащие друг с другом однородные части, находящиеся в физически различных состояниях, то эти части называются фазами системы.

Если две или больше различных фаз вещества при данных 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. Число фаз, могущих находиться в равновесии, может быть различным и зависит от состава вещества.

Конденсация газа, так же как и обратный процесс — переход жидкости в пар (испарение), являются примерами фазовых переходов. Как известно, вещество может находиться еще и в третьем состоянии — твердом. Переход газа или жидкости в твердое состояние тоже является фазовым переходом. Но отличие твердого состояния от жидкого или газообразного гораздо более глубокое, нежели различие между жидким и газообразным состояниями. Вопрос о фазовом переходе в твердое состояние мы рассмотрим позже.

Вернемся теперь к фазовому переходу жидкость—пар (или пар—жидкость).

Если на изотермах (см. рис. 79) соединить точки перехода пара в жидкость и жидкости в пар, т. е. точки то получится плавная кривая с максимумом, изображенная на рис. 79 пунктиром и воспроизведенная отдельно на рис. 81.

Любая точка с координатами и находящаяся справа от ветви кривой соответствует, очевидно, газообразному состоянию, потому что удельный объем больше того объема, при котором начинается переход в жидкое состояние при том же давлении. Точно так же точка с координатами и как и любая другая точка, расположенная слева от ветви соответствует жидкому состоянию — удельный объем меньше удельного объема, при котором заканчивается процесс конденсации. Все же точки, лежащие внутри кривой соответствуют двухфазным состояниям, т. е. состояниям, при которых одновременно существуют жидкость и насыщенный пар над ней. Точка же соответствует критическому состоянию. Ее координаты на кривой рис. и критические давление и объем.

Как мы уже знаем, перевести вещество из газообразного в жидкое состояние можно, повышая его давление при данной температуре,

если эта последняя ниже критической. Если температура выше , необходимо предварительное охлаждение. При таком превращении вещество должно пройти через промежуточную область двухфазного состояния, когда пар и жидкость сосуществуют и граничат друг с другом.

Можно, однако, осуществить этот переход и минуя эту область двухфазных состояний. Другими словами, можно превратить газ в жидкость (или наоборот) без того, чтобы в какой-то момент существовали обе фазы. Например, для того, чтобы газ, характеризуемый объемом давлением и температурой (см. рис. 81), превратить в жидкость при той же температуре и давлении, но, конечно, с другим объемом, можно поступить следующим образом. Нужно нагреть газ до температуры выше критической, после чего сжать так, чтобы его объем стал равным Наконец, сохраняя постоянным объем, нужно охладить газ до температуры Давление его при этом станет равным Таким образом, мы можем превратить газ в жидкость «в обход» области двухфазных состояний, так что не будет такого промежуточного состояния, при котором появится граница между жидкостью и паром (мениск).

Рис. 81.

Если, например, требуется превратить углекислый газ, находящийся при температуре 21,5 °С и давлении 50 атм, в жидкую углекислоту при той же температуре, то сначала нужно нагреть газ до температуры выше например, до 32 °С. При этой температуре газ нужно сжать так, чтобы его объем (удельный) стал равен Давление его при этом соответственно возрастет. После этого охлаждение до 21,5 °С вызовет превращение всего газа в жидкое состояние.

Возможность непрерывного перехода из газообразного в жидкое состояние, минуя стадию одновременного существования обеих фаз, показывает, что между ними нет принципиального качественного различия. Сам факт существования критического состояния свидетельствует о том, что при определенных условиях жидкое и газообразное состояния нельзя различить. Поэтому часто и говорят о непрерывном переходе между ними. Переход из твердого в жидкое или газообразное состояние нельзя осуществить аналогичным образом, т.е. так, чтобы при некоторой температуре и давлении не существовали одновременно две фазы вещества.