Физика фазовых переходов

В честь окончания года, а так же моего маленького праздника

Физика фазовых переходов Длиннопост, Наука, Физика, Образование, Видео

Я решил наконец написать пост, который обещал 11 дней назад.
Так вот: жидкие кристаллы. А, нет. Я хотел было написать сразу о них, но необходима предварительная подготовка. Она заняла целый пост, так что жидкие кристаллы подождут еще чуть-чуть.

Где-то в 7 классе вас научили, что есть

Физика фазовых переходов Длиннопост, Наука, Физика, Образование, Видео

А кому-то повезло иметь физика, который еще и добавил: а еще есть плазма.
И вам сказали: если передать теплоту твердому телу, оно нагреется, потом расплавится, потом нагреется образовавшаяся жидкость, она испарится, и вы получите газ.

Физика фазовых переходов Длиннопост, Наука, Физика, Образование, Видео

И такая картина всех устраивала примерно до 11 класса. Потом вам сказали, что вас обманули (не все, думаю, это слышали, ибо к 11 классу дай бог четверть еще воспринимает что-то на физике). Вам показали сухой лед: твердое тело, которое переходит сразу из твердого состояния в газообразное, минуя жидкость.
Как это возможно?
Давайте сначала обсудим простую воду. На вопрос: при какой температуре кипит вода? Вопрошающий скорее всего получит недоуменный взгляд и ответ: 100 градусов Цельсия. Но при этом все почему-то уверены, что в горах она кипит при температуре меньшей, чем 100 градусов. Чем отличаются горы от равнин? Правильно - высотой, а значит и атмосферным давлением. То есть температура кипения воды уменьшается с давлением. А что, если сделать давление тогда совсем маленьким?
Давайте посмотрим на эту диаграмму

Физика фазовых переходов Длиннопост, Наука, Физика, Образование, Видео

Это называется фазовая диаграмма, на ней изображена зависимость давления от температуры для вещества. Как легко понять, каждой паре давление-температура соответствует свое агрегатное состояние. Для воды при атмосферном давлении мы находимся на красной линии.

Физика фазовых переходов Длиннопост, Наука, Физика, Образование, Видео

Как вы видите, при температуре больше 100 градусов мы получаем газ, меньше 0 - твердое вещество, посередине - жидкость. Начнем уменьшать давление. Первая аномалия, с которой мы столкнемся - тройная точка воды.

Физика фазовых переходов Длиннопост, Наука, Физика, Образование, Видео

В этом месте встречаются разу 3 фазы. Тройная точка воды находится при температуре 273,16 К (0,01 °C) и давлении 611,657 Па (0,006 атмосферы). Вот так это выглядит (увы, не на примере воды, но вода делает ровно так же)

Опустив давление еще ниже, мы попадем в область, в которой газ переходит в твердое состояние минуя жидкое. Как я уже говорил, для разных веществ это давление разное, и если для воды такое давление составляет тысячные атмосферного, то для сухого льда (CO2) это давление составляет 5,2 атмосферы, то есть при 1 честной атмосфере мы находимся ниже тройной точки, жидкой фазы у сухого льда нет.
Так, это мы сходили ниже атмосферного давления, а что будет выше него? Мы наткнемся на новую особенность, называемую критической точкой.

Физика фазовых переходов Длиннопост, Наука, Физика, Образование, Видео

Начиная с нее, жидкая и газообразная фаза неразличимы.
Что, думаете этой общей фразой я и обйдусь? Неа. Хотя объяснение тривиальное.
Что происходит на самих черных линиях на фазовой диаграмме? Там одновременно сосуществуют 2 состояния одного вещества (ну для воды: вода и лед, вода и пар). И их визуально легко различить. С точки зрения физики это легко заметить оптически: вещества далеко от фазового перехода оптически прозрачны(ну, в каком-нибудь диапазоне, хоть бы и рентгеновском), в момент перехода становятся непрозрачны, а после перехода снова прозрачны. Думаю, все видели, как мутнеет лед, когда он тает. Вот это почти из этой оперы. Вот так можно определить, что переход произошел. Резкое падение пропускания излучения. И вот до критической точки мы его видим, а после - нет.

Физика фазовых переходов Длиннопост, Наука, Физика, Образование, Видео

То есть двигаясь по синей линии, мы в какой-то момент увидим резкое падение интенсивности пропускаемого света, а по красной - нет.
Конечно, это далеко не полная картина фазовых переходов. Еще есть переходы между различными фазами внутри твердого тела, есть метасостояния, о которых я еще поговорю в следующий раз, можно о плазме ещё поговорить будет.
Но на сегодня все, всем спасибо за внимание.