22. Фаза. Фазовое равновесие. Общая характеристика фазовых переходов 1-го и 2-го рода

Фазой называется термодинамически равновесное состояние вещества, отличающееся по физическим свойствам от других возможных равновесных состояний того же вещества. Если различные фазы вещества при данных давлении и температуре 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 из одного состояния (фазы) в другое называется фазовым переходом. При этом скачкообразно изменяются физические свойства вещества.

Часто понятие "фаза" употребляют в смысле агрегатного состояния, однако надо учитывать, что это два разных понятия. В пределах одного агрегатного состояния вещество может находиться в нескольких фазах, отличающихся по своим свойствам и строению. Например, лед встречается в пяти различных модификациях – фазах, а жидкий гелий может быть "обычным" и "сверхтекучим".

Фазовые переходы с выделением или поглощением скрытой теплоты перехода называются фазовыми переходами первого рода. К ним относятся плавление, парообразование, сублимация (переход твердого тела в газообразное состояние), конденсация и кристаллизация. Скрытая теплота перехода затрачивается на преодоление сил притяжение между молекулами. Теплота называется "скрытой" потому, что теплота (например, при плавлении и кипении) к телу подводится, а температура тела при этом не повышается. Фазовые переходы первого рода характеризуются изменениями энтропии и удельного объема.

При фазовых переходах первого рода новая фаза не возникает сразу во всем объеме. Сначала образуются зародыши новой фазы, которые затем растут, распространяясь на весь объем. Зародыши (центры парообразования, конденсации, кристаллизации…) появляются на различных неоднородностях (пылинки, ионы, шероховатости стенок сосуда). В отсутствии таких центров вещества могут находиться в перегретом или переохлажденном состоянии. Например, чистая вода не замерзает при минус 10 С.

Твердое состояние вещества может реализовываться в различных кристаллических модификациях. Это явление называется полиморфизмом. Например: графит и алмаз (углерод); белое и серое олово; белый и красный фосфор; существует несколько разновидностей льда (например, при давлении 20 000 атм лед плавится при +75 С) и т.п.

Фазовые переходы из одной кристаллической модификации в другую, не связанные с выделением или поглощением тепла, называются фазовыми переходами второго рода. При определенной температуре изменение физических свойств происходит сразу во всем объеме.

Фазовые переходы второго рода всегда связаны с изменением симметрии системы: либо изменяется уже существующий порядок (кристаллической решетки), либо в новой фазе возникает порядок, которого не было в первоначальной (например, упорядочиваются магнитные моменты отдельных частиц при переходе в ферромагнитное состояние). Примеры фазовых переходов второго рода:

 превращение железа в точке Кюри (770 С) из ферромагнитного в парамагнитное состояние;

 переход металлов в сверхпроводящее состояние;

 переход жидкого гелия при температуре ниже 4,2 К в сверхтекучее состояние (с вязкостью близкой к нулю).