Предположим, что две равномерные фазы, содержащие одни и те же компоненты, вступают в физический контакт с поверхностью интерфейса.
Если мы обнаружим, что фазы не имеют тенденции к изменению во времени, в то время как обе фазы имеют одинаковую температуру и давление, но отличаются другими интенсивными свойствами, такими как плотность и состав, мы скажем, что они сосуществуют в равновесии друг с другом.
Условия для такого сосуществования фаз являются предметом последующих разделов этой книги, но они, как правило, весьма ограничены. Например, жидкая и газовая фаза чистой H2O при давлении 1 бар могут сосуществовать только при одной температуре, 99.61 градусов Цельсия.
Вступление
Фазовый переход чистого вещества - это изменение с течением времени, при котором происходит непрерывный переход вещества из одной фазы в другую. В конце концов, одна фаза может полностью исчезнуть, а вещество полностью перешло на другую.
Если обе фазы сосуществуют в равновесии друг с другом, а температура и давление обеих фаз остаются одинаковыми и постоянными во время фазового перехода, то изменение представляет собой равновесный фазовый переход.
Например, H2O при 99.61 градусах Цельсия и давлении 1 бар может проходить равновесный переход фазы из жидкости в газ (испарение) или из газа в жидкость (конденсация). При фазовом переходе равновесия происходит передача энергии между системой и окружающей ее средой посредством тепла или работы.
Жидкости
Обычно жидкость классифицируют либо как жидкость, либо как газ. Различие важно для чистого вещества, поскольку выбор определяет способ обработки стандартного состояния фазы. Чтобы усложнить ситуацию, жидкость под высоким давлением может быть сверхкритической жидкостью. Иногда плазма рассматривается как отдельный вид текучего состояния. Это состояние находится в ионосфере Земли и в звездах.
В целом, и при условии, что давление не достаточно высокое для существования сверхкритических явлений - обычно верно для давлений ниже 25 бар, за исключением случаев He или H2, - мы можем провести различие между жидкостью и газом просто на основе плотности.
Жидкость имеет относительно высокую плотность, нечувствительную к изменениям температуры и давления. С другой стороны, газ имеет относительно низкую плотность, чувствительную к температуре и давлению, которая приближается к нулю, поскольку давление снижается при постоянной температуре.
Это простое различие между жидкостями и газами происходит при высоких давлениях, когда жидкая и газовая фаза могут иметь одинаковую плотность при одинаковой температуре.
Если повышение температуры жидкости при постоянном давлении вызывает переход ко второй фазе жидкости, то исходной жидкостью является жидкость, и переход происходит на кривой сосуществования жидкости и газа. Эта кривая заканчивается в критической точке, в которой все интенсивные свойства сосуществующих жидкой и газовой фазы становятся одинаковыми.
Жидкое состояние чистого вещества при температуре, превышающей критическую температуру и давление, превышающее критическое давление, называется сверхкритической жидкостью.
Термин «пар» иногда используется для обозначения газа, который может конденсироваться в жидкость путем повышения давления при постоянной температуре. По этому определению, паровое состояние вещества существует только при температурах ниже критической температуры.
Назначение сверхкритического текучего состояния вещества используется больше для удобства, чем из-за каких-либо уникальных свойств по сравнению с жидкостью или газом.
Если мы изменяем температуру или давление таким образом, что вещество изменяется от того, что называем жидкостью, к тому, что называем сверхкритической жидкостью, мы наблюдаем только непрерывное изменение плотности одной фазы и отсутствие фазового перехода с двумя сосуществующими фазами. То же самое справедливо и для перехода от сверхкритической жидкости к газу.
Заключение
Таким образом, мы можем превратить чистое вещество из жидкости при определенном давлении в газ при том же давлении, не наблюдая при этом границы раздела между двумя сосуществующими фазами! Это любопытное явление называется непрерывностью государств.
Если мы имеем дело с жидкой смесью (а не с чистым веществом) под высоким давлением, может быть тяжело классифицировать фазу как жидкую или газовую.
Сложность классификации при высоком давлении иллюстрируется баротропным эффектом, наблюдаемым в некоторых смесях, при котором небольшое изменение температуры или давления приводит к тому, что изначально более плотная из двух сосуществующих фаз жидкости становится менее плотной фазой. В гравитационном поле две фазы переключаются в разные положения.