Фаза – это однородная часть термодинамической системы, свойства которой во всех точках одинаковы и не зависят от количества вещества. Фаза может обладать физическими или химическими свойствами.

Фазы отделены одна от другой поверхностью раздела, то есть слои небольшой толщины, внутри которых свойства системы могут меняться очень сильно.

Во многих случаях фазовые превращения, в сплавах, например, можно рассматривать как результат перераспределения атомов по узлам некоторой кристаллической решетки, которая при превращении остается неизменной или только слабо искажается.

Примером простой двухфазной системы является вода и лед. Лед – однофазная система. При таянии льда отчетливо видна вода и лед, граница между которыми достаточно четкая. Кристалл, жидкость, пар – самые привычные и часто встречающиеся системы разных фаз одного и того же вещества. Их называют агрегатами, а состояния – агрегативными.

Различные фазы одного и того же вещества могут представлять две твердые фазы углерода: одна – алмаз (с сокрушительной твердостью), другая – графит (отличающаяся необычной мягкостью).

При изменении внешних условий – температуры, давления, электрического или магнитного полей – фазы могут переходить из одного состояния в другое. Такой процесс превращения называют фазовым, или фазовым переходом. Фазовые переходы очень широко известны. Это кипение, плавление, конденсация, кристаллизация, сублимация. Фазовым переходам отвечают сверхпроводящие и сверхтекучие состояния, переходы в ферро- и парамагнетиках и много других. Они определяют начало (границы) развития совершенно новых процессов в окружающем мире многокомпонентных систем.

Характерной особенностью фазового перехода является резкое изменение свойств вещества. Поэтому фазовые переходы представляют собой весьма интересные объекты не только для изучения, но и для практического применения.

Уникальны свойства фазовых переходов в окрестностях их состояний. Свойства в окрестностях фазового перехода меняются скачкообразно при незначительных затратах энергии, иногда даже непредсказуемо, а интервал этих изменений весьма мал. Поведение же граничащих фазовых систем весьма чутко реагирует на малейшие изменения их состояния . Эти внешние воздействия весьма чувствительны к примесям, слабым полям, что существенно с точки зрения технических приложений и вызывает интерес на разных стыках наук (кристаллохимии, химии, биологии, медицины и др.)

Таким образом, фазовые переходы и состояния могут служить объектами управления параметрами состояния различных систем, поскольку на это управление затрачивается минимум энергии. При изменении управляющих параметров как раз и происходят неравновесные фазовые переходы. Согласно классификации Эренфеста, существуют фазовые переходы первого и второго рода.

Примерами фазовых переходов первого рода является кипение, плавление, возгонка, сопровождающиеся скачкообразным изменением внутренней энергии и объема (поглощением или выделением скрытого тепла перехода).

При переходах второго рода внутренняя энергия вещества и его объем не изменяются в точке перехода и, следовательно, не происходит выделения или поглощения скрытой теплоты.

Необычен фазовый переход при отрывании адсорбированной молекулы в полимерной системе. Этот переход обладает чертами для фазовых переходов первого рода: скачок энергии, всплеск флуктуаций и выделение скрытой теплоты. С другой стороны, в поведении рассматриваемой системы проявляются черты фазового перехода второго рода: полное отсутствие метастабильных состояний¹.

Сегодня многие исследователи пытаются дать количественную оценку глобальным процессам, происходящим в биосфере, отражающимся на изменении климата, толщины озонового слоя и выяснить причину этих изменений. Однако в количественной оценке взаимовлияющего многообразия факторов не учитывается энергетический потенциал фазовых переходов воды в гидросфере и атмосфере, литосфере, энергетический потенциал фазовых переходов твердых растворов, сосредоточенных в земной коре и т.д. Это затрудняет сделать однозначный вывод о превалирующей роли естественных или антропогенных факторов влияния на структуру и функцию биосферы. Учет энергетических затрат фазовых переходов как раз и позволяет усомниться в том, что хозяйственная деятельность человека способна повлиять на обменные процессы и круговорот вещества в биосфере настолько, чтобы изменить ее структуру и функцию по поддержанию жизни на Земле².

Создание теории фазовых переходов второго рода – один из значительных успехов физики конденсированных сред. Понятие «фазовый переход второго рода» означает скачкообразное изменение свойств вещества, например, теплоемкости, сжимаемости, магнитных свойств; сюда же относится переход в сверхпроводящее состояние при сохранении внутренней энергии и плотности. Первые шаги в описании таких критических явлений были сделаны еще в 60 – 70-ые годы прошлого столетия.

Истекшие годы принесли много нового в изучении как отдельных фазовых переходов, так и переходов в целых классах веществ. Это и так называемые «несоразмерные» фазы в сегнетоэлектриках и магнетиках, фазовые переходы в жидких и квантовых кристаллах, переходы в атомарном водороде и жидком гелии (сверхтекучесть) и других, нашедшие широкое применение в современных технологиях. Но самой, пожалуй главной проблемой современной физики, являются фазовые переходы второго рода и родственные им, выделяемые В.Л. Гинзбургом как шестая фундаментальная проблема. Примерами таких переходов является охлаждение (в частности, лазерное) до сверхнизких температур и Бозе-Эйнштейновская конденсация в газах.

Ссылки