Введение

В физических науках фаза – это область материала, химически однородная, физически обособленная и (часто) механически отделяемая. В системе, состоящей из льда и воды в стеклянной банке, кубики льда представляют собой одну фазу, вода – вторую фазу, а влажный воздух – третью фазу над льдом и водой. Стекло банки является еще одной отдельной фазой. (См. .) Более точно, фаза – это область пространства (термодинамическая система), в пределах которой все физические свойства материала по существу однородны. Примеры физических свойств включают плотность, показатель преломления, намагниченность и химический состав. Термин «фаза» иногда используется как синоним состояния вещества, но может существовать несколько несмешивающихся фаз одного и того же состояния вещества (например, масло и вода разделяются на отдельные фазы, обе в жидком состоянии). Он также иногда используется для обозначения состояний равновесия, представленных на фазовой диаграмме, описываемых в терминах переменных состояния, таких как давление и температура, и разделенных фазовыми границами. (Фазовые границы связаны с изменениями в организации материи, включая, например, незначительное изменение в твердом состоянии от одной кристаллической структуры к другой, а также изменения агрегатного состояния, такие как переход от твердого к жидкому.) Эти два употребления не соответствуют формальному определению, приведенному выше, и подразумеваемый смысл должен определяться, в частности, из контекста, в котором используется термин.

Типы фаз

Различные фазы могут быть описаны как различные состояния вещества, такие как газ, жидкость, твердое вещество, плазма или конденсат Бозе–Эйнштейна. Полезные мезофазы между твердым и жидким состояниями образуют другие состояния материи. Различные фазы могут также существовать в пределах одного и того же состояния вещества. Как показано на диаграмме для железных сплавов, несколько фаз существуют как для твердого, так и для жидкого состояний. Фазы также могут быть дифференцированы на основе растворимости, например, в полярных (гидрофильных) или неполярных (гидрофобных) средах. Смесь воды (полярной жидкости) и масла (неполярной жидкости) спонтанно разделяется на две фазы. Вода имеет очень низкую растворимость (практически нерастворима) в масле, а масло – низкую растворимость в воде. Растворимость – это максимальное количество растворенного вещества, которое может раствориться в растворителе до тех пор, пока растворенное вещество перестает растворяться и остается в отдельной фазе. Смесь может разделяться на более чем две жидкие фазы, и концепция фазового разделения распространяется на твердые вещества, то есть твердые вещества могут образовывать твердые растворы или кристаллизоваться в различные кристаллические фазы. Металлические пары, которые взаимно растворимы, могут образовывать сплавы, в то время как пары металлов, которые взаимно нерастворимы, не могут. Было обнаружено до восьми несмешивающихся жидких фаз. Взаимно несмешивающиеся жидкие фазы образуются из воды (водной фазы), гидрофобных органических растворителей, перфторуглеродов (фторуглеродной фазы), силиконов, нескольких различных металлов, а также из расплавленного фосфора. Не все органические растворители полностью смешиваются; например, смесь этиленгликоля и толуола может разделяться на две отдельные органические фазы. Фазы не обязательно должны макроскопически спонтанно разделяться. Эмульсии и коллоиды являются примерами несмешивающихся пар фаз, которые не разделяются физически.

Фазовое равновесие

Если оставить систему приходить к равновесию, многие составы сформируют однородную единую фазу, но в зависимости от температуры и давления даже одно вещество может разделиться на две или более различных фаз. Внутри каждой фазы свойства однородны, но между фазами свойства различаются. Вода в закрытой банке с воздушным пространством над ней образует двухфазную систему. Большая часть воды находится в жидкой фазе, где она удерживается взаимным притяжением молекул воды. Даже в состоянии равновесия молекулы постоянно находятся в движении, и время от времени молекула в жидкой фазе приобретает достаточно кинетической энергии, чтобы оторваться от жидкой фазы и перейти в газовую. Аналогично, время от времени молекула пара сталкивается с поверхностью жидкости и конденсируется в жидкость. В состоянии равновесия процессы испарения и конденсации точно сбалансированы, и нет чистого изменения объема какой-либо из фаз. При комнатной температуре и давлении вода в банке достигает равновесия, когда влажность воздуха над водой составляет около 3%. Этот процент увеличивается с повышением температуры. При 100 °C и атмосферном давлении равновесие достигается только тогда, когда воздух состоит на 100% из воды. Если жидкость нагреть немного выше 100 °C, переход из жидкости в газ произойдет не только на поверхности, но и по всему объему жидкости: вода закипит.

Количество этапов

Для данной композиции при заданной температуре и давлении возможны только определенные фазы. Количество и тип образующихся фаз трудно предсказать, и обычно они определяются экспериментально. Результаты таких экспериментов можно представить на фазовых диаграммах. Здесь представлена фазовая диаграмма для однокомпонентной системы. В этой простой системе возможные фазы зависят только от давления и температуры. Отметки на диаграмме показывают точки, в которых две или более фазы могут сосуществовать в равновесии. При температурах и давлениях, отличающихся от отмеченных, в равновесии будет находиться только одна фаза. На диаграмме синяя линия, обозначающая границу между жидкостью и газом, не продолжается бесконечно, а заканчивается в точке, называемой критической точкой. По мере приближения температуры и давления к критической точке свойства жидкости и газа становятся все более схожими. В критической точке жидкость и газ становятся неотличимы друг от друга. Выше критической точки отдельные жидкая и газовая фазы больше не существуют: присутствует только общая флюидная фаза, называемая сверхкритической жидкостью. В воде критическая точка достигается при температуре около 647 К (374 °C или 705 °F) и давлении 22.064 МПа. Необычной особенностью фазовой диаграммы воды является то, что линия фазового перехода твердое-жидкое (изображена зеленой пунктирной линией) имеет отрицательный наклон. Для большинства веществ наклон положительный, как показано на примере темно-зеленой линии. Эта необычная особенность воды связана с тем, что плотность льда меньше плотности жидкой воды. Увеличение давления переводит воду в фазу с более высокой плотностью, что вызывает плавление. Другой интересной, хотя и не необычной особенностью фазовой диаграммы, является точка, в которой линия фазового перехода твердое-жидкое пересекается с линией фазового перехода жидкость-газ. Точка пересечения называется тройной точкой. В тройной точке все три фазы могут сосуществовать. Экспериментально фазовые линии относительно легко отобразить, благодаря взаимозависимости температуры и давления, возникающей при образовании нескольких фаз. Фазовое правило Гиббса утверждает, что различные фазы полностью определяются этими переменными. Рассмотрим испытательный аппарат, состоящий из закрытого и хорошо изолированного цилиндра, оснащенного поршнем. Контролируя температуру и давление, систему можно привести в любую точку на фазовой диаграмме. Из точки в области стабильности твердой фазы (слева от диаграммы) повышение температуры системы приведет ее в область, где в равновесии находятся жидкость или газ (в зависимости от давления). Если медленно опускать поршень, система будет описывать кривую повышения температуры и давления в газовой области фазовой диаграммы. В точке, где газ начинает конденсироваться в жидкость, направление кривой температуры и давления резко изменится и станет следовать по фазовой линии, пока вся вода не сконденсируется.

Интерфейсные явления

Между двумя фазами, находящимися в равновесии, существует узкая область, свойства которой отличаются от свойств каждой из фаз в отдельности. Несмотря на то, что эта область может быть очень тонкой, она способна оказывать значительное и легко наблюдаемое влияние, например, вызывать поверхностное натяжение жидкости. В смесях некоторые компоненты могут избирательно концентрироваться на границе раздела фаз. Для моделирования, описания или понимания поведения конкретной системы может оказаться целесообразным рассматривать межфазную область как отдельную фазу.

Кристаллические фазы

Один материал может иметь несколько различных твердых состояний, способных образовывать отдельные фазы. Вода – хорошо известный пример такого материала. Например, обычный лед встречается в гексагональной форме ice Ih, но также может существовать в виде кубического льда Ic, ромбоэдрического льда II и многих других модификаций. Полиморфизм – это способность твердого вещества существовать в более чем одной кристаллической форме. Для чистых химических элементов полиморфизм известен как аллотропия. Например, алмаз, графит и фуллерены – различные аллотропные модификации углерода.

Фазовые переходы

Когда вещество претерпевает фазовый переход (изменяет свое состояние агрегации), оно обычно либо поглощает, либо выделяет энергию. Например, при испарении воды увеличение кинетической энергии испаряющихся молекул, покидающих силы притяжения жидкости, проявляется в понижении температуры. Энергия, необходимая для осуществления фазового перехода, отбирается из внутренней тепловой энергии воды, что приводит к охлаждению жидкости и снижению ее температуры; следовательно, испарение используется для охлаждения. См. Энтальпию испарения. Обратный процесс, конденсация, выделяет тепло. Тепловая энергия, или энтальпия, связанная с переходом из твердого состояния в жидкое, называется энтальпией плавления, а связанная с переходом из твердого состояния в газообразное – энтальпией сублимации.

Фазы нарушения равновесия

В то время как фазы материи традиционно определяются для систем, находящихся в тепловом равновесии, исследования квантовых систем многих тел с локализацией (MBL) предоставили основу для определения фаз вне равновесия. Фазы MBL никогда не достигают теплового равновесия и могут допускать новые формы упорядоченности, запрещенные в равновесии благодаря феномену, известному как квантовый порядок, защищенный локализацией. Переходы между различными фазами MBL и между MBL-фазами и фазами, стремящимися к равновесию, представляют собой новые динамические фазовые переходы, свойства которых активно изучаются.