В физических науках фаза — это область материала, которая химически однородна, физически различима и (часто) механически разделима. В системе, состоящей из льда и воды в стеклянной банке, кубики льда являются одной фазой, вода — второй фазой, а влажный воздух — третьей фазой над льдом и водой. Стекло банки — это другой материал, находящийся в своей собственной отдельной фазе. (См. состояние вещества § Стекло .)
Точнее, фаза — это область пространства ( термодинамическая система ), в которой все физические свойства материала по существу однородны. [1] [2] : 86 [3] : 3 Примерами физических свойств являются плотность , показатель преломления , намагниченность и химический состав.
Термин фаза иногда используется как синоним состояния вещества , но может быть несколько несмешивающихся фаз одного и того же состояния вещества (например, когда нефть и вода разделяются на отдельные фазы, обе в жидком состоянии). Он также иногда используется для обозначения равновесных состояний, показанных на фазовой диаграмме , описанных в терминах переменных состояния, таких как давление и температура, и разграниченных фазовыми границами . (Фазовые границы относятся к изменениям в организации вещества, включая, например, тонкое изменение в твердом состоянии от одной кристаллической структуры к другой, а также изменения состояний, такие как между твердым и жидким.) Эти два использования не соизмеримы с формальным определением, данным выше, и предполагаемое значение должно определяться частично из контекста, в котором используется термин.
Отдельные фазы могут быть описаны как различные состояния вещества, такие как газ , жидкость , твердое тело , плазма или конденсат Бозе-Эйнштейна . Полезные мезофазы между твердым телом и жидкостью образуют другие состояния вещества.
Отдельные фазы могут также существовать в пределах данного состояния вещества. Как показано на диаграмме для сплавов железа, существует несколько фаз как для твердого, так и для жидкого состояния. Фазы также могут быть дифференцированы на основе растворимости , как полярные (гидрофильные) или неполярные (гидрофобные). Смесь воды (полярная жидкость) и масла (неполярная жидкость) спонтанно разделится на две фазы. Вода имеет очень низкую растворимость (нерастворима) в масле, а масло имеет низкую растворимость в воде. Растворимость - это максимальное количество растворенного вещества, которое может раствориться в растворителе, прежде чем растворенное вещество перестанет растворяться и останется в отдельной фазе. Смесь может разделиться на более чем две жидкие фазы, и концепция разделения фаз распространяется на твердые тела, то есть твердые тела могут образовывать твердые растворы или кристаллизоваться в отдельные кристаллические фазы. Пары металлов, которые являются взаимно растворимыми, могут образовывать сплавы , тогда как пары металлов, которые являются взаимно нерастворимыми, не могут.
Было обнаружено до восьми несмешивающихся жидких фаз . [a] Взаимно несмешивающиеся жидкие фазы образуются из воды (водная фаза), гидрофобных органических растворителей, перфторуглеродов ( фтористая фаза ), силиконов, нескольких различных металлов, а также из расплавленного фосфора. Не все органические растворители полностью смешиваются, например, смесь этиленгликоля и толуола может разделиться на две различные органические фазы. [b]
Фазам не нужно макроскопически разделяться спонтанно. Эмульсии и коллоиды являются примерами несмешивающихся парных фаз, которые физически не разделяются.
При равновесии многие составы образуют однородную единую фазу, но в зависимости от температуры и давления даже одно вещество может разделиться на две или более отдельных фаз. В пределах каждой фазы свойства однородны, но между двумя фазами свойства различаются.
Вода в закрытой банке с воздушным пространством над ней образует двухфазную систему. Большая часть воды находится в жидкой фазе, где она удерживается взаимным притяжением молекул воды. Даже в равновесии молекулы постоянно находятся в движении, и время от времени молекула в жидкой фазе получает достаточно кинетической энергии, чтобы вырваться из жидкой фазы и перейти в газовую фазу. Аналогично, время от времени молекула пара сталкивается с поверхностью жидкости и конденсируется в жидкость. В равновесии процессы испарения и конденсации точно уравновешиваются, и нет чистого изменения объема любой из фаз.
При комнатной температуре и давлении банка с водой достигает равновесия, когда влажность воздуха над водой составляет около 3%. Этот процент увеличивается с ростом температуры. При 100 °C и атмосферном давлении равновесие не достигается, пока воздух не станет на 100% водным. Если жидкость нагреть немного выше 100 °C, переход из жидкости в газ произойдет не только на поверхности, но и по всему объему жидкости: вода закипит.
Для данного состава при данной температуре и давлении возможны только определенные фазы . Количество и тип образующихся фаз трудно предсказать, и обычно они определяются экспериментально. Результаты таких экспериментов можно изобразить на фазовых диаграммах .
Фазовая диаграмма, показанная здесь, относится к однокомпонентной системе. В этой простой системе возможные фазы зависят только от давления и температуры . Маркировка показывает точки, в которых две или более фаз могут сосуществовать в равновесии. При температурах и давлениях, далеких от маркировки, в равновесии будет только одна фаза.
На диаграмме синяя линия, обозначающая границу между жидкостью и газом, не продолжается бесконечно, а заканчивается в точке, называемой критической точкой . По мере того, как температура и давление приближаются к критической точке, свойства жидкости и газа становятся все более схожими. В критической точке жидкость и газ становятся неразличимыми. Выше критической точки больше нет отдельных жидких и газовых фаз: есть только общая жидкая фаза, называемая сверхкритической жидкостью . В воде критическая точка достигается при температуре около 647 К (374 °C или 705 °F) и 22,064 МПа .
Необычной особенностью фазовой диаграммы воды является то, что линия твердой фазы – жидкой фазы (показана пунктирной зеленой линией) имеет отрицательный наклон. Для большинства веществ наклон положительный, как показано темно-зеленой линией. Эта необычная особенность воды связана с тем, что лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода. Увеличение давления перемещает воду в фазу с более высокой плотностью, что вызывает таяние.
Еще одной интересной, хотя и не необычной особенностью фазовой диаграммы является точка, где линия твердой фазы – жидкости встречается с линией жидкой фазы – газа. Пересечение называется тройной точкой . В тройной точке все три фазы могут сосуществовать.
Экспериментально фазовые линии относительно легко картировать из-за взаимозависимости температуры и давления, которая возникает при образовании нескольких фаз. Правило фаз Гиббса предполагает, что различные фазы полностью определяются этими переменными. Рассмотрим испытательную установку, состоящую из закрытого и хорошо изолированного цилиндра, снабженного поршнем. Управляя температурой и давлением, систему можно перевести в любую точку фазовой диаграммы. Из точки в области твердой устойчивости (левая сторона диаграммы) повышение температуры системы перенесет ее в область, где равновесной фазой является жидкость или газ (в зависимости от давления). Если поршень медленно опускать, система будет следовать кривой повышения температуры и давления в газовой области фазовой диаграммы. В точке, где газ начинает конденсироваться в жидкость, направление кривой температуры и давления резко изменится, чтобы следовать вдоль фазовой линии, пока вся вода не сконденсируется.
Между двумя фазами в равновесии есть узкая область, где свойства не являются свойствами ни одной из фаз. Хотя эта область может быть очень тонкой, она может иметь значительные и легко наблюдаемые эффекты, такие как принуждение жидкости проявлять поверхностное натяжение . В смесях некоторые компоненты могут предпочтительно перемещаться к границе раздела . С точки зрения моделирования, описания или понимания поведения конкретной системы может быть эффективным рассматривать область интерфейса как отдельную фазу.
Один материал может иметь несколько различных твердых состояний, способных образовывать отдельные фазы. Вода является хорошо известным примером такого материала. Например, водяной лед обычно встречается в гексагональной форме льда I h , но может также существовать в виде кубического льда I c , ромбоэдрического льда II и многих других форм. Полиморфизм — это способность твердого тела существовать в более чем одной кристаллической форме. Для чистых химических элементов полиморфизм известен как аллотропия . Например, алмаз , графит и фуллерены являются различными аллотропами углерода .
Когда вещество претерпевает фазовый переход (изменяет одно состояние вещества в другое), оно обычно либо поглощает, либо выделяет энергию. Например, когда вода испаряется, увеличение кинетической энергии по мере того, как испаряющиеся молекулы выходят из-под притяжения жидкости, отражается в снижении температуры. Энергия, необходимая для инициирования фазового перехода, берется из внутренней тепловой энергии воды, которая охлаждает жидкость до более низкой температуры; поэтому испарение полезно для охлаждения. См. Энтальпия испарения . Обратный процесс, конденсация, выделяет тепло. Тепловая энергия, или энтальпия, связанная с переходом из твердого состояния в жидкое, является энтальпией плавления , а связанная с переходом из твердого состояния в газообразное — энтальпией сублимации .
В то время как фазы материи традиционно определяются для систем в тепловом равновесии, работа над квантовыми многочастичными локализованными (MBL) системами предоставила основу для определения фаз вне равновесия. Фазы MBL никогда не достигают теплового равновесия и могут допускать новые формы порядка, запрещенные в равновесии через явление, известное как локализованно защищенный квантовый порядок. Переходы между различными фазами MBL и между MBL и термализованными фазами являются новыми динамическими фазовыми переходами, свойства которых являются активными областями исследований.
