Фазовое равновесие — это состояние термодинамической системы, при котором сосуществующие фазы вещества находятся в равновесии между собой, то есть не происходит перехода вещества из одной фазы в другую, несмотря на наличие контакта между ними. Для установления фазового равновесия необходимо соблюдение определённых условий: равенство температуры, давления и химического потенциала соответствующих компонентов в каждой фазе.
В молекулярной физике фазами принято считать макроскопически однородные состояния вещества, такие как твёрдое, жидкое и газообразное. Состояние фазового равновесия описывается термодинамически с помощью уравнений состояния, фазовых диаграмм и химических потенциалов.
Основной критерий фазового равновесия основан на минимизации термодинамического потенциала. В условиях постоянной температуры и давления равновесие между фазами устанавливается тогда, когда суммарный потенциал Гиббса системы минимален. При этом химические потенциалы вещества в каждой фазе становятся равными:
μтв = μж = μг
где μ — химический потенциал вещества в соответствующей фазе: твёрдой, жидкой или газообразной.
Для описания фазового поведения вещества используется фазовая диаграмма в координатах давление–температура (P–T). На этой диаграмме изображаются линии фазового равновесия, каждая из которых представляет собой условие сосуществования двух фаз:
На пересечении этих трёх линий располагается тройная точка.
Тройная точка — это уникальное состояние вещества, при котором три фазы (твёрдая, жидкая и газообразная) могут сосуществовать в равновесии. Это особая точка на фазовой диаграмме, характеризуемая определённым значением температуры и давления.
Для каждого чистого вещества тройная точка является строго определённой. Например, для воды:
Эта точка не является только теоретическим построением: она достижима экспериментально и используется, в частности, для определения термодинамической шкалы температур. Именно температура тройной точки воды была принята в качестве опорной точки при определении кельвиновой шкалы.
На молекулярном уровне тройная точка соответствует такому состоянию, при котором средняя кинетическая энергия молекул, силы межмолекулярного взаимодействия и давление оказываются сбалансированными таким образом, что вещество может находиться в трёх агрегатных состояниях одновременно. Молекулы, обладающие достаточной энергией, могут покидать кристаллическую решётку (переход в жидкость) или испаряться (переход в пар). В то же время испаряющиеся молекулы могут конденсироваться, а жидкие — кристаллизоваться. В результате достигается динамическое равновесие всех трёх процессов: сублимации, плавления и испарения.
На P–T диаграмме тройная точка изображается как точка пересечения трёх линий фазового равновесия. Эти линии разделяют области, соответствующие устойчивому существованию только одной фазы:
Таким образом, тройная точка является уникальной координатной точкой, в которой границы между фазами сходятся.
Тройная точка воды принята как основа определения шкалы температур в международной системе единиц (СИ). Она обеспечивает высокую стабильность и воспроизводимость эталонной температуры. Термометры, работающие на основе термосопротивления или термопар, калибруются с использованием ячеек тройной точки воды. Эти ячейки представляют собой запаянные ампулы, в которых содержатся вода, лёд и пар в равновесии.
Для реального вещества существование тройной точки зависит от:
Тройная точка не существует в широком диапазоне параметров — это точечное состояние, достижение которого требует точных экспериментальных условий.
Вещество может обладать несколькими полиморфными формами твёрдого состояния. В этом случае на фазовой диаграмме могут присутствовать несколько тройных точек, каждая из которых соответствует равновесию между различными комбинациями фаз, например:
Такое многообразие особенно характерно для сложных веществ и сплавов.
Тройная точка играет важную роль в понимании механизмов фазовых переходов первого рода, сопровождающихся поглощением или выделением теплоты, скачкообразным изменением энтропии и объёма. В тройной точке система может совершать необратимые фазовые переходы, если внешние условия начинают отклоняться от условий равновесия.
Кроме того, понятие тройной точки является центральным при изучении сравнительной устойчивости фаз. Например, если система перешла в газообразное состояние при давлении ниже давления тройной точки, возврат к жидкой фазе без образования твёрдой невозможен.
Тройная точка представляет собой не только теоретический интерес, но и имеет широкое прикладное значение:
Кроме того, изучение тройных точек позволяет глубже понять поведение веществ при экстремальных условиях и является важным разделом как термодинамики, так и молекулярной физики в целом.