Фаза — это однородная часть вещества, обладающая одинаковыми физико-химическими свойствами и отделённая от других фаз границей раздела. Пример — лёд, вода и водяной пар в системе H₂O. Каждая из этих форм вещества при одинаковых условиях образует отдельную фазу.
Фазовый переход — это превращение одного агрегатного состояния вещества в другое при изменении внешних условий (температуры, давления). Переход может сопровождаться скачком плотности, тепловыми эффектами (поглощением или выделением теплоты), изменением симметрии и других параметров.
Различают:
Диаграмма состояния — это график, отображающий существование различных фаз вещества в зависимости от давления и температуры. Она является наглядным способом представить границы фазовой устойчивости вещества, а также условия фазовых переходов.
Для чистого вещества стандартной является р-Τ-диаграмма (давление–температура). В этой системе координат изображаются:
Точка пересечения всех трёх кривых — тройная точка, в которой все три фазы сосуществуют в равновесии. Каждое вещество имеет уникальную тройную точку с определёнными температурой и давлением.
Другой важной особенностью диаграммы является критическая точка. Это наивысшая температура, при которой возможно существование жидкой фазы. При температурах выше критической различие между жидкостью и газом исчезает, образуется единая флюидная фаза — сверхкритическая жидкость.
В отличие от чистых веществ, многокомпонентные системы, такие как сплавы, растворы или смеси, описываются более сложными диаграммами состояния, зависящими не только от давления и температуры, но и от состава компонентов.
Фазовая диаграмма в координатах “температура – состав” при постоянном давлении (обычно атмосферном) показывает, какие фазы присутствуют в равновесии при заданной температуре и концентрации компонентов.
Для двухкомпонентных систем существуют следующие типы диаграмм:
Типичная для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии. Включает:
В этом случае при определённой температуре жидкая и твёрдая фазы взаимодействуют, образуя другую твёрдую фазу. На диаграмме это сопровождается появлением перитектической точки.
Компоненты растворимы друг в друге в жидком и твёрдом состояниях. Диаграмма состоит из плавных линий ликвидуса и солидуса, между которыми существует область кристаллизации.
Для определения числа степеней свободы системы используется правило фаз Гиббса:
f = c − φ + 2
где:
Применение этого правила позволяет анализировать устойчивость фаз и возможные фазовые переходы. Например, в тройной точке чистого вещества (c = 1, ϕ = 3) f = 0 — ни температура, ни давление не могут изменяться без выхода из состояния равновесия.
Для полного описания фазовых превращений вещества можно использовать трёхмерную диаграмму в координатах (p, T, V) или (p, T, ρ), где ρ — плотность. В такой диаграмме фазы образуют объёмные области, ограниченные поверхностями фазовых переходов.
Часто используют проекции этой диаграммы:
Вблизи критической точки наблюдаются критические явления:
Температура выше критической называется сверхкритической областью. В этой области вещество может обладать свойствами как жидкости (растворяющая способность), так и газа (высокая диффузия). Это используется в технологиях сверхкритической экстракции, например, CO₂.
Некоторые участки диаграмм соответствуют метастабильным состояниям — состояниям, которые термодинамически неустойчивы, но сохраняются в течение длительного времени. Пример — переохлажденная жидкость при температуре ниже точки замерзания, не переходящая в лёд без центра кристаллизации.
На диаграммах это отображается продолжением линий фазовых переходов (например, линия переохлаждения или перегрева), выходящих за пределы равновесных кривых.
Для трёхкомпонентных систем фазовые диаграммы приобретают форму треугольников композиции (диаграмма Гиббса), где каждая вершина соответствует чистому компоненту, а внутренняя точка — конкретной смеси. На таких диаграммах можно наглядно проследить фазовые области и границы, в которых происходит кристаллизация, образование соединений и растворов.
Для систем с большим числом компонентов используются компьютерные методы расчёта и визуализации фазовых диаграмм, например, CALPHAD-моделирование (CALculation of PHAse Diagrams), которое опирается на термодинамические базы данных и экспериментальные данные.
Фазовые диаграммы играют ключевую роль в:
Они являются универсальным инструментом для инженеров, химиков, материаловедов и физиков, позволяя обоснованно прогнозировать поведение сложных систем и оптимизировать производственные процессы.