Зимой вода на поверхности озёр и рек замерзает, превращаясь в лёд. Однако под ним вода остаётся жидкой. То есть одновременно сосуществуют два различных агрегатных состояния воды – твёрдое и жидкое. Третье состояние воды – газообразное: невидимый водяной пар находится в окружающем воздухе, и даже в морозный день тоже, частично образуя иней. Иными словами, в зависимости от условий одно и то же вещество может находиться в различных состояниях.

При повышении температуры, как правило, вещество возможно перевести сначала из твёрдого состояния в жидкое и при дальнейшем нагревании – в газообразное. Однако существуют вещества, которые при нагревании превращаются сразу из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое. Это, например, кристаллы йода или «сухого льда», которым называется сильно охлаждённый и отвердевший оксид углерода (IV), иначе называемый углекислым газом. Вы можете увидеть такой «сухой лёд» летом в контейнерах для переноски мороженого.

Переход вещества из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое, называется сублимацией (от латинского слова «сублимо» – возношу) или возгонкой (устаревший термин), а обратное явление называется десублимацией. Известно, например, что графит можно нагреть до нескольких тысяч градусов, но в жидкость он не превратится, а будет сублимировать – из твёрдого состояния сразу переходить в газообразное. Все запахи, которыми обладают твёрдые тела (например, мыло или нафталин), также обусловлены сублимацией, то есть образованием над поверхностью твёрдого вещства газообразного, которое, попадая к нам в нос, и вызывает ощущение запаха. Примером десублимации может служить образование на окнах зимних узоров из кристалликов льда. Они образуются при отвердевании водяного пара, находящегося в воздухе.

От каких же причин зависит: будет ли твёрдое вещество становиться жидкостью или будет сублимировать при повышении температуры? И наоборот: будет ли газообразное вещество конденсироваться в жидкое или десублимировать сразу в твёрдое? Обратимся к графику, который является диаграммой возможных агрегатных превращений любого вещества.

Три кривые пересекаются в так называемой «тройной точке» и делят координатную плоскость «Давление-Температура» на три области, в которых являются устойчивыми твёрдое состояние вещества (левая часть), жидкость (верхняя часть) и пар (правая часть). Взгляните на верхнюю красную стрелку, она символизирует плавление и располагается выше «тройной точки». Взгляните теперь на правую красную стрелку, она символизирует парообразование и также располагается выше «тройной точки». Это означает, что цепочка превращений «твёрдое тело – жидкость – пар» возможна только при более высоких давлениях, чем то, которое соответствует «тройной точке». Если же давление будет ниже соответствующего «тройной точке», то возможны только переходы «твёрдое тело – пар» и наоборот, минуя жидкое состояние.

Что же такое «тройная точка» и как определить её координаты? Опыты показывают, что для каждого вещества существуют условия (давление и температура), при которых пар, жидкость и кристалл могут сосуществовать одновременно сколь угодно долго. Например, если поместить в закрытый сосуд при нуле градусов воду с плавающим льдом, то в свободное пространство будут испаряться и вода, и лёд. Однако при давлении паров 0,006 атм. (это «собственное» их давление, без учёта давления, создаваемого воздухом) и температуре 0,01 °С увеличение массы пара прекратится. С этого момента лёд, вода и пар будут сохранять свои массы сколь угодно долго. Это и есть тройная точка для воды (левая диаграмма). Если в условия левой области поместить воду или пар, то они станут льдом. Если в «нижнюю область» внести жидкость или твёрдое тело, то получится пар. В правой области вода будет конденсироваться, а лёд плавиться.

Аналогичную диаграмму можно построить для любого вещества. Цель таких диаграмм – дать ответ на вопрос: какое состояние вещества будет устойчивым при таком-то давлении и такой-то температуре. Например, правая диаграмма построена для углекислого газа. Тройная точка для этого вещества имеет координату «давление» 5,11 атм, то есть значительно больше, чем нормальное атмосферное давление. Поэтому при обычных условиях (давление 1 атм) мы можем наблюдать только переходы «ниже тройной точки», то есть самостоятельное превращение твёрдого тела в газ. При давлении 1 атм это будет происходить при температуре –78 °С (см. пунктирные линии координат ниже тройной точки).

Все мы живём «около» значений «нормальных условий», т. е. прежде всего при давлении, близком к одной атмосфере. Поэтому, если атмосферное давление, ниже давления, соответствующего тройной точке, при нагревании тела мы не увидим жидкости, – твёрдое вещество будет превращаться сразу в пар. Именно так и ведёт себя «сухой лёд», что очень удобно для продавцов мороженого. Брикеты мороженого можно перекладывать кусками «сухого льда» и не бояться при этом, что мороженое намокнет. Если же давление, соответствующее тройной точке, меньше атмосферного, то вещество относится к «плавящимся» – при повышении температуры оно сначала превращается в жидкость, а потом закипает.

Как видите, особенности агрегатных превращений веществ напрямую зависят от того, как текущие значения давления и температуры соотносятся с координатами «тройной точки» на диаграмме «давление-температура».

И в заключение назовём известные вам вещества, всегда сублимирующие при нормальных условиях. Это йод, графит, «сухой лёд». При давлениях и температурах, отличных от нормальных, эти вещества вполне можно наблюдать и в жидком, и даже в кипящем состоянии.

(C) 2013. Физика.ru при участии А.В.Кузнецовой (г. Самара)