Фаза - это область системы, в которой каждое интенсивное свойство (например, температура и давление) в каждый момент времени имеет либо одно и то же значение на протяжении всей (однородная или однородная фаза) фазы, либо другое значение, изменяющееся от одной точки к другой. Всякий раз, когда где-то упоминается какая-либо фаза, она является однородной. Две различные фазы встречаются на поверхности, где интенсивные свойства имеют прерывистость или изменяются на небольшом расстоянии.
Вступление
Некоторые интенсивные свойства (например, коэффициент преломления и поляризуемость) могут обладать направленными характеристиками. Однородная фаза может быть либо изотропной, обладающей одинаковыми значениями этих свойств во всех направлениях, либо анизотропной, как в случае некоторых твердых и жидких кристаллов. Вакуум - это равномерная фаза нулевой плотности.
Предположим, мы имеем дело с неоднородной областью, в которой интенсивные свойства непрерывно изменяются в пространстве по одному или нескольким направлениям. Например, с высоким столбом газа в гравитационном поле, плотность которого уменьшается с увеличением высоты.
Существует два способа трактовать такую неоднородную, непрерывную область: либо как одну неравномерную фазу, либо как бесконечное количество однородных фаз, каждая из которых имеет бесконечно малый размер в одном или нескольких измерениях.
Физические состояния вещества
Мы используем маркировку фаз по физическому состоянию или состоянию агрегации. Обычно говорят, что фаза - это твердая, если она относительно жесткая, жидкость, если она легко деформируется и не поддается сжатию, и газ, если она легко деформируется и легко сжимается.
Поскольку эти описания реакции на внешние силы различаются лишь в определенной степени, их недостаточно для классификации промежуточных случаев.
Более строгий подход заключается в проведении первичного различия между твердым телом и жидкостью, основанного на реакции фазы на приложенное напряжение сдвига, а затем использовании дополнительных критериев для классификации жидкости как жидкости, газа или сверхкритической жидкости.
Поперечное напряжение - это касательная сила на единицу площади, воздействующая на вещество с одной стороны внутренней плоскости по ту сторону от вещества с другой стороны. Мы можем создавать сдвиговое напряжение в фазе, прилагая тангенциальные силы к параллельным поверхностям фазы.
Твердое вещество реагирует на сдвиговое напряжение мгновенным относительным движением своих частей, приводящим к деформации - изменению формы. Если приложенное напряжение сдвига постоянное и небольшое (недостаточно большое, чтобы вызвать ползучесть или разрушение), твердое тело быстро достигает определенной степени деформации, которая зависит от величины напряжения и сохраняет эту деформацию без дальнейших изменений до тех пор, пока оно продолжает действовать.
На микроскопическом уровне деформация требует относительного движения смежных слоев частиц (атомов, молекул или ионов). Форма ненапряженного тела определяется привлекательными и отталкивающими силами между частицами. Эти силы затрудняют проскальзывание соседних слоев друг от друга, так что твердое тело сопротивляется деформации.
Жидкость по-разному реагирует на сдвиговое напряжение, претерпевая непрерывное относительное движение (поток) своих частей. Поток продолжается до тех пор, пока существует любое напряжение сдвига, независимо от того, насколько мал, и останавливается только после снятия напряжения сдвига.
Таким образом, постоянное приложенное напряжение сдвига вызывает фиксированную деформацию твердого и непрерывного потока жидкости. Мы говорим, что фаза под постоянным напряжением сдвига является твердой, если после первоначальной деформации мы не можем обнаружить дальнейшее изменение формы в течение периода наблюдения фазы.
Обычно этот критерий позволяет нам однозначно классифицировать фазу либо как твердую, либо как текучую. Однако в течение достаточно длительного периода времени обнаруживаемый поток может произойти в любом материале при любом напряжении сдвига любой величины.
Заключение
Таким образом, различие между твердым и жидким телом фактически зависит от масштаба времени наблюдений. Этот факт очевиден, когда мы наблюдаем поведение определенных материалов, которые проявляют твердое поведение в течение короткого периода времени и жидкое поведение в течение длительного периода времени.
Такие материалы, которые сопротивляются деформации внезапно приложенным сдвиговым напряжением, но в течение длительного периода времени подвергаются потоку, называются вязкоупругими твердыми телами.