1.7. Метастабильное состояние.

Теперь легко понять, почему можно перегреть жидкость даже при наличие в ней пузырьков какого – либо газа при самой жидкости. Для перегревания необходимо только, чтобы пузырьки были достаточно малы. Допустим, что пузырек настолько мал, что давление насыщенного пара внутри него значительно ниже соответствующего давления пара над плоской поверхности при той же температуре. Если пузырек состоит из пара, то он будет сжат гидростатическом давлением окружающей жидкости и в конце концов исчезнет даже в том случае, тогда температура жидкости заметно превышает температуру кипения. Если же пузырек газовый, то по той же причине он не может увеличиваться в объеме за счет испарения жидкости. Отсюда следует, что слишком малые пузырьки при заданной температуре закипала, необходимо, чтобы размеры пузырьков были не меньше определенного предела.

Совершенного так же обстоит дело с пресыщенным паром. Это тоже метастабильное состояние вещества. На изотерме Ван – дер – Ваальса ему соответствует участок AG (см рис. 1). Давление пресыщенного пара Р больше давления насыщенного пара при той же температуре. Допустим, что в пресыщенном паре образовались капельки жидкости, например из-за тепловых флуктуаций. Если их размеры меньше определенного предела, то они испарятся. Действительно, давление пара, находящегося в равновесии с жидкой каплей, тем больше, чем меньше ее радиус. Если это давление превосходит Р, то капля будет испаряться и в конце концов исчезнет. Такие малые капли, как центры конденсации, неэффективны. Капля будет расти, а, следовательно, пар конденсироваться в жидкость, если равновесное давление пара над ее поверхностью меньше давления окружающего пресыщенного пара. Это имеет место для достаточно больших капель. Наличие пыли или других мелких частиц в пресыщенном паре способствует конденсации. Дело в том, что капельки жидкости, образовавшаяся на пылинке, не будет иметь сферическую форму. Ее форма определяется формой и размерами самой пылинки. Ввиду этого кривизна поверхности капли, даже при очень малых размерах последней, может быть невелика. Такие капли являются эффективными центрами конденсации.

Еще более эффективными центрами конденсации являются электрически заряженные частицы, или ионы. Когда проводящий шар заряжен электричеством, то электрические заряды, отталкиваясь друг от друга, располагают на его поверхности. Но и находясь на поверхности, они продолжают отталкиваться. Таким образом, на поверхности заряды действуют силы, направленные наружу шара. Такие силы действуют на границе заряженного диэлектрического шара, если даже заряды располагаются не на поверхности, а по объему шара. Это выталкивающие силы существуют и в случае заряженной капли. Они направлены противоположно силам лапласов капиллярного давления, обусловленного кривизной поверхности капли. Таким образом, влияние заряда капли эквивалентно уменьшению поверхностного натяжения. Вследствие этого давление насыщенного пара над заряженной капли меньше, чем над незаряженной тех же размеров. Этим и объясняется, почему заряд капли способствует конденсации пара.

Пресыщенный водяной пар можно получить быстрым адиабатическим расширением влажного воздуха. Этот принцип используется в одном из основных приборов ядерной физики и физики элементарных частиц – камере Вильсона. Камера Вильсона (1869 – 1959) представляет собой герметически замкнутый объем заполненный не конденсирующим газом и насыщенными парами некоторых жидкостей. Одна из стенок камеры делается подвижной, что позволяет менять величину рабочего объема камеры. При адиабатическом расширение в рабочем объеме создается пресыщенный пар жидкости. Он не конденсируется, пока нет центров конденсации. Если, однако, через пар пролетает заряженная частица, то на своем пути она создает много ионов, на которых пресыщенный пар конденсируется в виде маленьких капелек, достигающих видимых размеров. Получается цепочка капелек, расположенные вдоль траектории ионизирующей частицы. Они называются треками. Их можно осветить и сфотографировать. Изучение параметров трека дает возможность делать заключение о природе и свойствах пролетающих частиц.

Явление перегревания жидкости также используется для наблюдения следов ионизирующих частиц. На нем основано устройство пузырьковой камеры, сканированной Д.А. Глезером (р. 1926) в 1952 г. Жидкость в пузырьковой камере сначала находится при температуре, превышающей температуру кипения. От закипания камеры она удерживается высоким давлением, предаваемым на поршень или упругую мембрану, соприкасающуюся с жидкостью. Для приведения камеры в рабочее состояние внезапно понижает давление. Тогда жидкость оказывается перегретой и в течении короткого времени может находиться в этом метастабильном состоянии. Если в это время через камеру пролетит ионизирующая частица, то она вызовет в это время резкое вскипание жидкости в узкой области вдоль траектории частиц. В результате путь частиц будет отмечен цепочкой пузырьков пара. Явление можно объяснить тем, что ионизирующая частица теряет на своем пути энергию, преходящую главным образом в тепло. А так как жидкость перегрета, то этого добавочного тепла достаточно для интенсивного образования пара на пути частиц одним из важнейших преимуществ пузырьковой камеры пред камерой Вильсона является высокая плотность рабочего вещества. Это дает возможность получать большое количество взаимодействий частиц с ядрами рабочего вещества. В качестве жидкостей в пузырьковой камере применяются жидкий водород, жидкий пропан, фреоны, жидкий гелий и т.д.

Перегретой жидкостью и пресыщенный паром не исчерпывается многообразие метастабильных состояний вещества. Другими примерами являются переохлаждение жидкости и различные кристаллические модификации твердых тел. Возьмем, например, воду, очищенную от посторонних вкраплений, и будем охлаждать ее при постоянном давлении и без сотрясений. Вода останется жидкой, если даже ее температура достигнет – 100 С и ниже. Если, однако, в такую воду бросить кристаллики льда или встряхнуть сосуд, в котором она находится, то происходит быстрое затвердение, причем температура резко поднимается до 00 С. жидкость, охлажденная до температуры ниже температуры затвердения, называется переохлажденной жидкостью. Она является менее устойчивой фазой, чем кристаллическая фаза при той же температуре и давлении. Поэтому если жидкость не очищена от посторонних вкраплений, то переохлаждения не наблюдается. При охлаждении жидкости кристаллизация начинается при температуре плавления, соответствующей тому давлению, под которым находится жидкость.

Скорость кристаллизации переохлажденной жидкости при наличии в ней зародышей сильно зависит от температуры. При понижении температуры за точку кристаллизации сначала растет, достигает максимума, а затем падает. При очень больших переохлаждения скорость кристаллизации делается практически равной нулю. При достаточно больших переохлаждения начинается самопроизвольное образование зародышей. Скорость этого процесса также сначала растет с понижением температуры, достигает максимума и стремится к нулю при дальнейшем понижении температуры. Обычно максимум скорости самопроизвольного образования зародышей находится при более низкой температуре, чем максимум скорости кристаллизации.