Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

ДИАГРА́ММА СОСТОЯ́НИЯ

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 8. Москва, 2007, стр. 704

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: Ю. Г. Рудой

ДИАГРА́ММА СОСТОЯ́НИЯ, гра­фич. изо­бра­же­ние со­стоя­ний фи­зич. или фи­зи­ко-хи­мич. сис­те­мы, обыч­но в де­кар­то­вой сис­те­ме ко­ор­ди­нат, на осях ко­то­рой от­ло­же­ны чис­лен­ные зна­че­ния оп­ре­де­лён­ных па­ра­мет­ров со­стоя­ния сис­те­мы. По­ня­тие со­стоя­ния сис­те­мы (ве­ще­ст­ва или из­лу­че­ния) – од­но из наи­бо­лее об­щих и фун­да­мен­таль­ных в фи­зи­ке – оп­ре­де­ля­ет­ся на­бо­ром со­став­ляю­щих эту сис­те­му мик­ро­ско­пич. струк­тур­ных еди­ниц (ато­мов, мо­ле­кул и др.), а так­же ха­рак­те­ром взаи­мо­дей­ст­вий ме­ж­ду ни­ми и со­во­куп­но­стью мак­ро­ско­пи­че­ских, внеш­них по от­но­ше­нию к сис­те­ме ус­ло­вий (зна­че­ния­ми объ­ё­ма, темп-ры $T$, дав­ле­ния $p$ и т. п.). При­ме­ра­ми со­стоя­ний яв­ля­ют­ся аг­ре­гат­ные со­стоя­ния ве­ще­ст­ва (твёр­дая, жид­кая и га­зо­об­раз­ная фа­зы), разл. струк­тур­ные мо­ди­фи­ка­ции ве­ще­ст­ва, разл. элек­три­че­ские (про­вод­ник, ди­элек­трик, по­лу­про­вод­ник, сверх­про­вод­ник), маг­нит­ные (диа-, па­ра- или фер­ро­маг­не­ти­ки, спи­но­вые стёк­ла) и др. со­стоя­ния. Д. с. на­зы­ва­ют так­же диа­грам­мой фа­зо­вой, од­на­ко по­ня­тие «Д. с.» яв­ля­ет­ся бо­лее ши­ро­ким.

Рис. 1. Диаграммы состояния: а – в координатах T – v [двухфазное состояние сосуществования жидкости и насыщенного пара (при фиксированном давлении p) переходит в однофазное при критической...

Д. с. ото­бра­жа­ет тот факт, что од­но и то же ве­ще­ст­во мо­жет на­хо­дить­ся в разл. со­стоя­ни­ях в за­ви­си­мо­сти от внеш­них ус­ло­вий: зна­че­ний $T$ (рис. 1) и/или $p$ (рис. 2), ве­ли­чи­ны и/или на­прав­ле­ния элек­три­че­ских $E$ и/или маг­нит­ных $H$ по­лей, кон­цен­тра­ций $x$ об­ра­зую­щих ве­ще­ст­во ато­мов хи­мич. эле­мен­тов или мо­ле­кул и т. п. Ка­че­ст­вен­но со­стоя­ния (фа­зы), как пра­ви­ло, от­ли­ча­ют­ся друг от дру­га зна­че­ния­ми па­ра­мет­ра по­ряд­ка. Д. с. ука­зы­ва­ет ус­ло­вия, при ко­то­рых воз­мож­ны вза­им­ные пе­ре­хо­ды ме­ж­ду со­стоя­ния­ми (фа­за­ми) – фа­зо­вые пе­ре­хо­ды 1-го (рис. 1, а; 2) или 2-го (рис. 1, б; 3) ро­да в за­ви­си­мо­сти от ха­рак­те­ра из­ме­не­ния па­ра­мет­ра по­ряд­ка – не­пре­рыв­но­го или скач­ко­об­раз­но­го. Напр., аг­ре­гат­ные со­стоя­ния ве­ще­ст­ва раз­ли­ча­ют­ся не толь­ко зна­че­ния­ми удель­но­го объ­ё­ма $v$ (напр., для жид­ко­сти и га­за $v_ж \lt v_г$ при $T \lt T_{кр}$), но и ха­рак­те­ром упо­ря­до­че­ния час­тиц (или, в бо­лее об­щем слу­чае, сим­мет­ри­ей со­стоя­ния в це­лом). Так, в га­зо­об­раз­ной фа­зе зна­че­ние $v$ очень ве­ли­ко, к.-л. по­ря­док в рас­по­ло­же­нии час­тиц от­сут­ст­ву­ет; в кон­ден­си­ро­ван­ном ве­ще­ст­ве зна­че­ние $v$ ма­ло, и в жид­кой и твёр­дой фа­зах оно при­мер­но оди­на­ко­во, од­на­ко в жид­ко­стях име­ет­ся лишь ближ­ний по­ря­док, а для твёр­дых тел (кри­стал­лов) ха­рак­те­рен даль­ний и ближ­ний по­ря­док. Пе­ре­хо­ды ме­ж­ду эти­ми тре­мя фа­за­ми яв­ля­ют­ся фа­зо­вы­ми пе­ре­хо­да­ми 1-го ро­да. В об­щем слу­чае при из­ме­не­нии зна­че­ний $T$ и $p$ воз­мож­ны так­же и струк­тур­ные фа­зо­вые пе­ре­хо­ды ме­ж­ду разл. твёр­ды­ми мо­ди­фи­ка­ция­ми од­но­го и то­го же ве­ще­ст­ва (рис. 2; см. По­ли­мор­физм).

Рис. 2. Диаграммы T – p состояний углерода (а) и гелия (б); жидкие фазы Не I и сверхтекучего Не II разделены на диаграмме пунктирной линией.

Пе­ре­хо­ды из про­во­дя­ще­го в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние, из па­ра­маг­нит­но­го в фер­ро­маг­нит­ное, а так­же из вяз­ко­го в сверх­те­ку­чее яв­ля­ют­ся фа­зо­вы­ми пе­ре­хо­да­ми 2-го ро­да и со­от­вет­ст­ву­ют не­пре­рыв­ным кри­вым на Д. с., ко­то­рые, как пра­ви­ло, име­ют уни­вер­саль­ный вид, по­доб­ный при­ве­дён­но­му на рис. 1, б. Маг­нит­ные фа­зо­вые пе­ре­хо­ды в разл. ве­ще­ст­вах опи­сы­ва­ют­ся бо­лее раз­но­об­раз­ны­ми Д. с. (рис. 3). Фи­зич. сис­те­мы с не­сколь­ки­ми взаи­мо­дей­ст­вую­щи­ми ме­ж­ду со­бой па­ра­мет­ра­ми по­ряд­ка (напр., со­су­ще­ст­во­ва­ние фер­ро­маг­нит­но­го и сверх­про­во­дя­ще­го со­стоя­ний) опи­сы­ва­ют­ся ещё бо­лее слож­ны­ми Д. с.

Рис. 3. Диаграммы магнитных состояний вещества: а – редкоземельный магнетикс параметром порядка ϑ – углом ориентации магнитного момента относительно кристаллографической оси. Зави...

С раз­ви­ти­ем экс­пе­рим. воз­мож­но­стей изу­че­ния со­стоя­ния ве­ще­ст­ва при вы­со­ких зна­че­ни­ях $T$ и $p$ как в зем­ных, так и в кос­мич. ла­бо­ра­то­ри­ях поя­ви­лась но­вая об­ласть ис­сле­до­ва­ний – фи­зи­ка экс­тре­маль­ных со­стоя­ний ве­ще­ст­ва. Для на­гляд­но­го изо­бра­же­ния эво­лю­ции Все­лен­ной ис­поль­зу­ет­ся Д. с. ма­те­рии на­чи­ная от ги­по­те­тич. мо­мен­та Боль­шо­го Взры­ва; при этом по­сле­до­ва­тель­ность со­стоя­ний оп­ре­де­ля­ет­ся темп-рой Все­лен­ной $T_{Вс}$, од­но­знач­но свя­зан­ной с её мас­штаб­ным фак­то­ром («ра­диу­сом») и вре­ме­нем её эво­лю­ции. В разл. диа­па­зо­нах зна­че­ний $T_{Вс}$ реа­ли­зу­ют­ся тер­моди­на­ми­че­ски ус­той­чи­вые со­стоя­ния (фа­зы) ма­те­рии, в т. ч. фи­зич. ва­ку­ум, кварк-глю­он­ная плаз­ма, ад­рон­ная ма­те­рия, во­до­род­но-ге­лие­вая плаз­ма и др.

Су­ще­ст­ву­ют так­же Д. с. как гра­фич. фор­мы урав­не­ния со­стоя­ния (тер­мо­ди­на­мич. диа­грам­мы), вы­ра­жаю­щие за­ви­си­мость к.-л. тер­мо­ди­на­мич. функ­ции $f$ от двух тер­мо­ди­на­мич. па­ра­мет­ров, напр. от темп-ры и удель­но­го объ­ё­ма или от эн­тро­пии и эн­таль­пии. На та­ких диа­грам­мах при­во­дит­ся се­мей­ст­во изо­ли­ний $f$ = const.

Изу­че­ние Д. с. пред­став­ля­ет боль­шой тео­ре­тич. и при­клад­ной ин­те­рес в свя­зи с фун­дам. про­бле­мой про­гно­зи­ро­ва­ния из­ме­не­ния свойств ма­те­рии в за­ви­си­мо­сти от разл. внеш­них ус­ло­вий; напр., при ре­ше­нии во­про­сов, свя­зан­ных с син­те­зом но­вых ма­те­риа­лов с за­ра­нее за­дан­ны­ми фи­зи­ко-хи­мич. свой­ст­ва­ми, в ре­ше­нии ря­да про­блем ас­т­ро­фи­зи­ки и кос­мо­ло­гии, пла­не­то­ло­гии, гео­фи­зи­ки.

Лит.: Лан­дау Л. Д., Ахие­зер АИ., Лиф­шиц Е. М. Курс об­щей фи­зи­ки. Ме­ха­ни­ка и мо­ле­ку­ляр­ная фи­зи­ка. 2-е изд. М., 1969; Кирж­ниц Д. А. Экс­тре­маль­ные со­стоя­ния ве­ще­ст­ва // Ус­пе­хи фи­зи­че­ских на­ук. 1971. Т. 104. Вып. 7; он же. Сверх­про­во­ди­мость и эле­мен­тар­ные час­ти­цы // Там же. 1978. Т. 125. Вып. 5.

Вернуться к началу