Метастабільний стан (у термодинаміці)
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Метастабільний стан (у термодинаміці)

Метастабільне полягання (від мета... і лат.(латинський) stabilis — стійкий) в термодинаміці, стан нестійкої рівноваги фізичної макроскопічної системи, в якій система може знаходитися тривалий час. Прикладами М. с. можуть служити перегріта або переохолоджена рідина і переохолоджена (пересичений) пара (див. Перегрівши і Переохолодження ) . Рідина, наприклад воду, ретельно очищену від сторонніх твердих частинок і бульбашок газу (центрів паротворення), можна нагрівати до температури, що перевищує температуру кипіння при даному тиску. Якщо в перегрітій рідині виникнуть центри паротворення (або їх введуть штучно), то рідина вибухоподібно перейде в пару — стійке при даній температурі стан. У свою чергу пара, в якій відсутні центри конденсації (тверді частки, іони), можна охолодити до температур, при яких стійкий рідкий стан, і отримати переохолоджену (пересичений) пару. У природі пересичена водяна пара утворюється, наприклад, при підйомі нагрітих в поверхні землі повітряних мас і подальшому їх охолоджуванні, викликаному адіабатичним розширенням.

загрузка...

  Виникнення М. с. пояснюється теорією термодинамічної рівноваги (див. Рівновага термодинамічна ) . Стану рівноваги замкнутої системи відповідає максимум ентропії S . При постійному об'ємі V і температурі Т рівновазі відповідає мінімум вільної енергії F ( енергії Гельмгольца ), а при постійному тиску р і температурі Т — мінімум термодинамічного потенціалу G ( гиббсової енергії ) . Проте певним значенням зовнішніх параметрів ( р, V, Т і ін.) може відповідати декілька екстремумів (максимумів або мінімумів) однієї з перерахованих вище функцій ( мал. ). Кожному з відносних мінімумів функції F або G відповідає стійке по відношенню до малих дій або флуктуаціям стан. Такі стани називають метастабільними. При невеликому відхиленні від М. с. система повертається в цей же стан, проте по відношенню до великих відхилень від рівноваги вона нестійка і переходить в стан з абсолютним мінімумом термодинамічного потенціалу, яке стійке по відношенню до кінцевих відхилень значень фізичних параметрів від рівноважних. Т. о., хоча М. с. у відомих межах стійко, рано чи пізно система все ж переходить в абсолютно стійкий, стабільний стан.

  Можливість реалізації М. с. пов'язана з особливостями переходу системи з одного стійкого стану в інше (з кінетикою фазових переходів ) . Фазовий перехід починається з виникнення зародків нової фази: бульбашок пари в разі переходу рідини в пару, мікрокристалів під час переходу рідини в кристалічний стан і т.п. Для освіти зародків потрібне здійснення роботи із створення поверхонь розділу двох фаз. Зростанню зародків, що утворилися, заважає значна кривизна їх поверхні (див. Капілярні явища ), що приводить при кристалізації до підвищеної розчинності зародків твердої фази, при конденсації рідини — до випару найдрібніших крапельок, при паротворенні — до підвищеної пружності пари усередині маленьких бульбашок. Вказані чинники можуть зробити енергетично невигідним виникнення і зростання зародків нової фази і затримати перехід системи з М. с. в абсолютно стійкий стан за даних умов.

  М. с. широко зустрічаються в природі і використовуються в науці і техніці. З існуванням М. с. зв'язані, наприклад, явища магнітного, електричного і пружного гістерезису, утворення пересичених розчинів, гарт стали, виробництво стекла і т.д.

 

  Літ.: Ландау Л. Д., Ліфшиц Е. М., Статистична фізика, М., 1964; Штрауф Е. А., Молекулярна фізика, М. — Л., 1949; Самойловіч А. Р., Термодинаміка і статистична фізика, 2 видавництва, М., 1955; Скрипів Ст П., Метастабільна рідина, М., 1972.

  Р. Я. Мякишев.

Ф 1 1 ) — абсолютний мінімум функції Ф (нею можуть бути потенціали F або G), Ф 2 2 ) — відносний мінімум функції; х — змінний фізичний параметр (наприклад, об'єм V), інші параметри постійні.