Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Фазовые переходы первого рода находят практическое применение в так называемых материалах с фазовым переходом. Я помню, как заворожила меня грелка для рук, которую мне подарили в детстве на Рождество. Она представляла собой пакет с гелем, в котором был маленький металлический диск. Когда я сжимал диск, гель моментально затвердевал и нагревался. Как такое возможно? Неужели производители этой штуки не слыхали о законе сохранения энергии? Откуда берется это тепло? Впоследствии я узнал, как работает это устройство. В него заранее подается энергия, превращающая материал из твердого в жидкий: если поместить пакет в микроволновку[20], его потом можно использовать повторно. Твердое состояние характеризуется меньшей энергией, но для замерзания жидкости необходимо преодолеть энергетический барьер. Сжимание металла позволяет произойти фазовому переходу, при котором выделяется скрытая теплота: он образует поверхность, на которой может начаться рост твердого кристалла. Сейчас материалы с фазовым переходом используются в энергетических системах с возобновляемыми источниками – например солнечными батареями, – в которых в одни дни может случаться избыток энергии, а в другие – нехватка. Избыточную энергию можно сохранить в виде скрытой теплоты, а затем, когда она понадобится, высвободить в виде тепла.

Переходы второго типа называют непрерывными или фазовыми переходами второго рода. Хороший пример такого превращения – образование ферромагнетика. При высоких температурах железо обладает парамагнитными свойствами: спины отдельных его атомов направлены случайным образом. Хотя атомы ощущают магнитные поля друг друга, при высокой температуре их энергия так велика, что не допускает их ориентации в одном направлении и коллективного поведения. Однако при охлаждении железа до температуры ниже 768 °C происходит фазовый переход, и железо становится ферромагнитным. На наномасштабе происходит ориентация спинов, а на макромасштабе – намагничивание железа[21]. Намагниченность играет роль параметра порядка, так же как плотность при закипании воды. Разница в том, что при намагничивании нет никакой скрытой теплоты. Намагничивание происходит по мере уменьшения температуры не резким скачком, а непрерывно. От такого непрерывного изменения параметра порядка и происходит название этого типа фазового перехода. В качестве понятной аналогии можно представить себе, что два типа фазовых переходов соответствуют двум элементам ландшафта: оба описывают изменение высоты, но непрерывный переход подобен пологому склону, а переход первого рода – отвесной скале. При уменьшении давления на воду температура ее кипения снижается. Этот факт был хорошо известен путешественникам и исследователям XIX века, которые оценивали по температуре закипания воды высоту над уровнем моря. Он так же хорошо известен и всем тем волшебникам, которые пытались заваривать чай на горных перевалах. Для получения полноценного вкуса черного чая его нужно заваривать водой при температуре, близкой к 100 °C; поэтому настоящий волшебник знает, что в горные походы лучше брать зеленый чай, который следует заваривать менее горячей водой. При повышенном давлении – например на дне глубокой шахты – температура кипения, напротив, увеличивается. Если у вас нет под рукой такой шахты, можно просто вскипятить воду в герметически закрытом сосуде: давление будет увеличиваться по мере нагревания воды.

Однако при достаточно высоком давлении происходит нечто поистине замечательное: различия между жидкостью и газом полностью исчезают. Результат оказывается весьма странным и на удивление полезным.

Сверхкритические флюиды

Представьте себе, что вы собираетесь приготовить весьма хитроумным способом некий живительный эликсир: возжигаете огонь под своим аламбиком, дабы получить настой сушеных листьев растения Camellia sinensis. Или, проще говоря, кипятите воду, чтобы заварить себе чаю. Когда вода закипает в чайнике, ее плотность резко изменяется – это отвесная скала фазового перехода первого рода. Однако передвигаясь по скале ко все более высоким давлениям, мы обнаруживаем, что высота скалы уменьшается: разница плотности жидкости и газа становится меньше. В конце концов вершина скалы оказывается на уровне моря и исчезает: фазовый переход, отделяющий жидкость от газа, перестает существовать. Именно в этой точке фазовый переход между водой и паром превращается из перехода первого рода в переход непрерывный – точно так же вы можете плавно перейти из моря на вершину скалы только в том месте, где скала встречается с морем. Температуру и давление, при которых это происходит, называют критической точкой. Критическая температура воды равна 373,9 °C, а ее критическое давление в 218 раз больше атмосферного.