Агрегатные состояния и фазовые переходы

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 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 и газообраз­ным.

Физические величины, характеризующие то или иное состояние вещества, иногда называют параметрами состояния. Основными параметрами являются: объем V, внешнее давление р и температура Т. 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 условии, что эти тела остаются твердыми, жидкими и газообразными, и, кроме того, в них не происходит заметных изменений в составе, структуре, физических свойствах;

2. переходы, при которых происходит изменение или агрегатного состояния вещества, или существенные изменения в составе, строении и физических свойствах вещества. 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 изменяется 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 (Н₂0).

При других фазовых переходах агрегатное состояние вещества сохраняется, но в веществе происходят существенные изменения в строении или в структуре (взаимном расположении молекул), вследствие чего заметно изменяются физические свойства вещест­ва. К таким переходам относятся: потеря ферромагнитных свойств железом при нагревании его до температуры 780 °С и выше, переход некоторых металлов в сверхпроводящее состояние при очень низких температурах (когда электрическое сопротивление этих металлов уменьшается до нуля), переход кристаллического вещества из одной модификации в другую и т. д