Термодинамическая фаза


Термодинами́ческая фа́за — гомогенная часть гетерогенной системы, ограниченная поверхностью раздела[1][2]; определение по Дж. Гиббсу: термодинами́ческая фа́за — состояние вещества, не зависящее от размеров и формы системы[3]. Менее строго, но более наглядно фазой называют гомогенную часть системы, отделенную от остальных частей видимой[4] поверхностью раздела[5], на которой скачком меняются какие-либо характеристики фазы[6], например плотность, состав, оптические свойства. При этом совокупность отдельных гомогенных частей системы, обладающих одинаковыми свойствами, считается одной фазой (например, совокупность кристаллов одного вещества или совокупность капелек жидкости, взвешенных в газе и составляющих туман)[7]. Каждая фаза системы характеризуется собственным уравнением состояния[5].

При переходе через поверхность раздела хотя бы одно термодинамическое свойство вещества изменяется скачком[1][8]. Часто (но не всегда) поверхность раздела является видимой невооружённым глазом.

Гомогенная система содержит только одну фазу; гетерогенная система состоит из двух или более фаз[9]. Система «лёдводавлажный воздух» — гетерогенная трёхфазная. В однокомпонентной системе разные фазы могут быть представлены разными агрегатными состояниями или разными полиморфными модификациями твёрдого вещества (ромбическая и моноклинная сера, серое и белое олово и др.)[1]. Число фаз в гетерогенной системе подчиняется правилу фаз Гиббса.

В многокомпонентной системе фазы могут иметь различный состав и структуру. В любом случае при наличии раздела фаз подразумевается принципиальная возможность перехода вещества из одной фазы в другую. Многофазная система находится в термодинамическом равновесии, если все её фазы находятся в механическом, тепловом и фазовом равновесии друг с другом.

Газ почти всегда состоит из одной фазы[K 1], жидкость может состоять из нескольких жидких фаз разного состава (ликвация, жидкостная несмешиваемость), но двух разных жидкостей одного состава в равновесии сосуществовать не может (жидкий гелий — исключение). Вещество в твердом состоянии может состоять из нескольких фаз, причем некоторые из них могут иметь одинаковый состав, но различную структуру (полиморфные модификации, аллотропия).

Разные фазы обладают различными вариантами упаковки молекул (для кристаллических фаз, различными кристаллическими решетками), и, следовательно, своими характерными значениями коэффициента сжимаемости, коэффициента теплового расширения и прочими характеристиками. Кроме того, различные фазы могут обладать разными электрическими (сегнетоэлектрики), магнитными (ферромагнетики), и оптическими свойствами (например, твёрдый кислород).