Реальные газы

Подобные не вполне устойчивые состояния называются метастабильными. Вещество в состояниях 1-4 называется пересыщенным паром, а в состояниях 2-3 ― перегретой жидкостью.

При достаточно низкой температуре участок изотермы 2-3 «ныряет» под ось V, т.е. значения р становятся отрицательными. Вещество под отрицательным давлением находится в состоянии не сжатия, а растяжения. Такие состояния также могут быть реализованы. Можно, например, получить растянутую ртуть.

Для воды

Критическое состояние вещества можно наблюдать на опыте, предложенном Авенариусом. В запаянной стеклянной колбе находится некоторое количество эфира. При низкой температуре видна резкая граница между жидкостью и насыщенным паром. Если сосуд нагреть, то уровень жидкости повышается, несмотря на то, что часть её при нагревании испарилась. Это свидетельствует о том, что плотность жидкости значительно уменьшилась, а пара ― возросла. При критической температуре граница между жидкостью и паром исчезает и весь объём вещества внутри сосуда становится мутным. Это вызвано тем, что при критической температуре за счёт флуктуаций плотности во всём объёме непрерывно возникают и тут же испаряются микроскопические капельки жидкости. Они-то и рассеивают свет. Такое помутнение получило название опалесценции ввиду его сходства с рассеянием света мутным минералом опалом.

Пересыщенный пар и перегретая жидкость

Рассмотрим условия, при которых могут быть осуществлены метастабильные состояния.

Если пар совершенно не содержит посторонних включений, конденсация его в жидкость начаться не может. Для образования капельки необходимо, чтобы большое количество молекул одновременно сблизилось на расстояние того же порядка, что и расстояние между молекулами в жидкости, а это совершенно невероятно. Для возникновения конденсации необходимо наличие так называемых центров конденсации, которые улавливают подлетающие к ним молекулы и переводят их в конденсированную фазу. Центрами конденсации могут служить пылинки, капельки жидкости и, в особенности, заряженные частицы (ионы).

Таким образом, если пар тщательно очистить от посторонних включений и ионов, то он может находиться при давлении, превышающем давление насыщенных паров при данной температуре. Такое состояние будет метастабильным: достаточно возникнуть хотя бы одному центру конденсации, как состояние пересыщенного пара будет нарушено и вещество перейдёт в двухфазное состояние.

Практически пересыщенный пар можно получить, подвергнув непересыщенный пар резкому расширению. Быстрое расширение происходит без теплообмена с внешней средой и сопровождается охлаждением пара. Точка, изображающая состояние пара, перемещается при этом по адиабате. Адиабата, как известно, идёт круче, чем изотерма, и пар из стабильного состояния 1, соответствующего температуре Т1, может перейти в метастабильное состояние 2, соответствующее более низкой температуре Т2. Такой процесс используется в камере Вильсона.

Если жидкость тщательно очистить от твёрдых включений и растворённых в ней газов, то путём нагревания её можно перевести в состояние с давлением, меньшим при данной температуре, без того, чтобы жидкость вскипала. Это и будет состояние перегретой жидкости. Переход жидкости из обычного состояния в перегретое ― 3-4.

Состояние перегретой жидкости является метастабильным. Достаточно бросить в перегретую жидкость песчинку для того, чтобы жидкость вскипела и перешла в стабильное двухфазное состояние.

11