Диаграмма состояния

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ, графическое изображение состояний физической или физико-химической 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 микроскопических структурных единиц (атомов, молекул и др.), а также характером взаимодействий между ними и совокупностью макроскопических, внешних по отношению к системе условий (значениями объёма, температуры Т, давления р и т.п.). Примерами состояний являются агрегатные состояния вещества (твёрдая, жидкая и газообразная фазы), различные структурные модификации вещества, различные электрические (проводник, диэлектрик, полупроводник, сверхпроводник), магнитные (диа-, пара- или ферромагнетики, спиновые стёкла) и другие состояния. Диаграмму  состояния называют также диаграммой фазовой, однако понятие «диаграмма состояния» является более широким.

Диаграмма  состояния отображает тот факт, что одно и то же вещество может находиться в различных состояниях в зависимости от внешних условий: значений Т (рис. 1) и/или р (рис. 2), величины и/или направления электрических Е и/или магнитных Н полей, концентраций х образующих вещество атомов химических элементов или молекул и т. п. Качественно состояния (фазы), как правило, отличаются друг от друга значениями параметра порядка. Диаграмма  состояния 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. Например, агрегатные состояния вещества различаются не только значениями удельного объёма v (например, для жидкости и газа v_ж < v_г при Т < T_kp), но и характером упорядочения частиц (или, в более общем случае, симметрией состояния в целом). Так, в газообразной фазе значение v очень велико, какой-либо 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 Т и р возможны также и структурные фазовые переходы между различными твёрдыми модификациями одного и того же вещества (рис. 2; смотри Полиморфизм).

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 диаграмме состояния, которые, как правило, имеют универсальный вид, подобный приведённому на рисунке 1,б. Магнитные фазовые переходы в различных веществах описываются более разнообразными диаграммами состояния (рис. 3). Физические системы с несколькими взаимодействующими между собой параметрами порядка (например, сосуществование ферромагнитного и сверхпроводящего состояний) описываются ещё более сложными диаграммами состояния.

С развитием экспериментальных возможностей изучения состояния вещества при высоких значениях Т и р как в земных, так и в космических лабораториях появилась новая область исследований - физика экстремальных состояний вещества. Для наглядного изображения эволюции Вселенной используется диаграмма состояния материи, начиная от гипотетического момента Большого Взрыва; при этом последовательность состояний определяется температурой Вселенной Т_Вс, однозначно связанной с её масштабным фактором («радиусом») и временем её эволюции. В различных диапазонах значений Т_Вс реализуются термодинамически устойчивые состояния (фазы) материи, в том числе физический вакуум, кваркглюонная плазма, адронная материя, водородно-гелиевая плазма и др.

Существуют также диаграммы состояния как графические формы уравнения состояния (термодинамические диаграммы), выражающие зависимость какой-либо термодинамической функции f от двух термодинамических параметров, например от температуры и удельного объёма или от энтропии и энтальпии. На таких диаграммах приводится семейство изолиний f = const.

Изучение диаграммы состояния представляет большой теоретический и прикладной интерес в связи с фундаментальной проблемой прогнозирования изменения свойств материи в зависимости от различных внешних условий; например, при решении вопросов, связанных с синтезом новых материалов с заранее заданными физико-химическими свойствами, в решении ряда проблем астрофизики и космологии, планетологии, геофизики.

Лит.: Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., 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.