Возь­мем в руки кусок са­ха­ра и кос­нем­ся им по­верх­но­сти ки­пят­ка. Ки­пя­ток втя­нет­ся в сахар и дой­дет до наших паль­цев. Од­на­ко мы не по­чув­ству­ем ожога, как по­чув­ство­ва­ли бы, если бы вме­сто са­ха­ра был кусок ваты. Это на­блю­де­ние по­ка­зы­ва­ет, что рас­тво­ре­ние са­ха­ра со­про­вож­да­ет­ся охла­жде­ни­ем рас­тво­ра. Если бы мы хо­те­ли со­хра­нить тем­пе­ра­ту­ру рас­тво­ра не­из­мен­ной, то долж­ны были бы под­во­дить к рас­тво­ру энер­гию. От­сю­да сле­ду­ет, что при рас­тво­ре­нии са­ха­ра внут­рен­няя энер­гия си­сте­мы сахар-вода уве­ли­чи­ва­ет­ся.

То же самое про­ис­хо­дит при рас­тво­ре­нии боль­шин­ства дру­гих кри­стал­ли­че­ских ве­ществ. Во всех по­доб­ных слу­ча­ях внут­рен­няя энер­гия рас­тво­ра боль­ше, чем внут­рен­няя энер­гия взя­тых в от­дель­но­сти кри­стал­ла и рас­тво­ри­те­ля при той же тем­пе­ра­ту­ре.

В при­ме­ре с са­ха­ром не­об­хо­ди­мое для его рас­тво­ре­ния ко­ли­че­ство теп­ло­ты от­да­ет ки­пя­ток, охла­жде­ние ко­то­ро­го за­мет­но даже по не­по­сред­ствен­но­му ощу­ще­нию.

Если рас­тво­ре­ние про­ис­хо­дит в воде при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре, то тем­пе­ра­ту­ра по­лу­чив­шей­ся смеси в не­ко­то­рых слу­ча­ях может ока­зать­ся даже ниже 0 °C, хотя смесь и оста­ет­ся жид­кой, по­сколь­ку тем­пе­ра­ту­ра за­сты­ва­ния рас­тво­ра может быть зна­чи­тель­но ниже нуля. Этот эф­фект ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния силь­но охла­жден­ных сме­сей из снега и раз­лич­ных солей.

Снег, на­чи­ная таять при 0 °C, пре­вра­ща­ет­ся в воду, в ко­то­рой рас­тво­ря­ет­ся соль; не­смот­ря на по­ни­же­ние тем­пе­ра­ту­ры, со­про­вож­да­ю­щее рас­тво­ре­ние, по­лу­чив­ша­я­ся смесь не за­твер­де­ва­ет. Снег, сме­шан­ный с этим рас­тво­ром, про­дол­жа­ет таять, за­би­рая энер­гию от рас­тво­ра и, со­от­вет­ствен­но, охла­ждая его. Про­цесс может про­дол­жать­ся до тех пор, пока не будет до­стиг­ну­та тем­пе­ра­ту­ра за­мер­за­ния по­лу­чен­но­го рас­тво­ра. Смесь снега и по­ва­рен­ной соли в от­но­ше­нии 2 : 1 поз­во­ля­ет, таким об­ра­зом, по­лу­чить охла­жде­ние до −21 °C; смесь снега с хло­ри­стым каль­ци­ем (СаСl₂) в от­но­ше­нии 7 : 10 — до −50 °C.

При опре­де­лен­ных усло­ви­ях во­дя­ные пары, на­хо­дя­щи­е­ся в воз­ду­хе, ча­стич­но кон­ден­си­ру­ют­ся, в ре­зуль­та­те чего и воз­ни­ка­ют во­дя­ные ка­пель­ки ту­ма­на. Ка­пель­ки воды имеют диа­метр от 0,5 до 100 мкм.

Возь­мем сосуд, на­по­ло­ви­ну за­пол­ним водой и за­кро­ем крыш­кой. Наи­бо­лее быст­рые мо­ле­ку­лы воды, пре­одо­лев при­тя­же­ние со сто­ро­ны дру­гих мо­ле­кул, вы­ска­ки­ва­ют из воды и об­ра­зу­ют пар над по­верх­но­стью воды. Этот про­цесс на­зы­ва­ет­ся ис­па­ре­ни­ем воды. С дру­гой сто­ро­ны, мо­ле­ку­лы во­дя­но­го пара, стал­ки­ва­ясь друг с дру­гом и с дру­ги­ми мо­ле­ку­ла­ми воз­ду­ха, слу­чай­ным об­ра­зом могут ока­зать­ся у по­верх­но­сти воды и пе­рей­ти об­рат­но в жид­кость. Это кон­ден­са­ция пара. В конце кон­цов, при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре про­цес­сы ис­па­ре­ния и кон­ден­са­ции вза­им­но ком­пен­си­ру­ют­ся, то есть уста­нав­ли­ва­ет­ся со­сто­я­ние тер­мо­ди­на­ми­че­ско­го рав­но­ве­сия. Во­дя­ной пар, на­хо­дя­щий­ся в этом слу­чае над по­верх­но­стью жид­ко­сти, на­зы­ва­ет­ся на­сы­щен­ным.

Если тем­пе­ра­ту­ру по­вы­сить, то ско­рость ис­па­ре­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся, и. рав­но­ве­сие уста­нав­ли­ва­ет­ся при боль­шей плот­но­сти во­дя­но­го пара. Таким об­ра­зом, плот­ность на­сы­щен­но­го пара воз­рас­та­ет с уве­ли­че­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры (см. рис.).

Для воз­ник­но­ве­ния ту­ма­на не­об­хо­ди­мо, чтобы пар стал не про­сто на­сы­щен­ным, а пе­ре­сы­щен­ным. Во­дя­ной пар ста­но­вит­ся на­сы­щен­ным (и пе­ре­сы­щен­ным) при до­ста­точ­ном охла­жде­нии (про­цесс АВ) или в про­цес­се до­пол­ни­тель­но­го ис­па­ре­ния воды (про­цесс АС). Со­от­вет­ствен­но вы­па­да­ю­щий туман на­зы­ва­ют ту­ма­ном охла­жде­ния и ту­ма­ном ис­па­ре­ния.

Вто­рое усло­вие, не­об­хо­ди­мое для об­ра­зо­ва­ния ту­ма­на,  — это на­ли­чие ядер (цен­тров) кон­ден­са­ции. Роль ядер могут иг­рать ионы, мель­чай­шие ка­пель­ки воды, пы­лин­ки, ча­стич­ки сажи и дру­гие мел­кие за­гряз­не­ния. Чем боль­ше за­гряз­нен­ность воз­ду­ха, тем боль­шей плот­но­стью от­ли­ча­ют­ся ту­ма­ны.

Гей­зе­ры рас­по­ла­га­ют­ся вб­ли­зи дей­ству­ю­щих или не­дав­но уснув­ших вул­ка­нов. Для из­вер­же­ния гей­зе­ров не­об­хо­ди­ма теп­ло­та, по­сту­па­ю­щая от вул­ка­нов.

Чтобы по­нять фи­зи­ку гей­зе­ров, на­пом­ним, что тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния воды за­ви­сит от дав­ле­ния (см. рис.).

За­ви­си­мость тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния воды от дав­ле­ния

Пред­ста­вим себе 20-мет­ро­вую гей­зер­ную труб­ку, на­пол­нен­ную го­ря­чей водой. По мере уве­ли­че­ния глу­би­ны тем­пе­ра­ту­ра воды рас­тет. Од­но­вре­мен­но воз­рас­та­ет и дав­ле­ние  — оно скла­ды­ва­ет­ся из ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния и дав­ле­ния стол­ба воды в труб­ке. При этом везде по длине труб­ки тем­пе­ра­ту­ра воды ока­зы­ва­ет­ся не­сколь­ко ниже тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния, со­от­вет­ству­ю­щей дав­ле­нию на той или иной глу­би­не. Те­перь пред­по­ло­жим, что по од­но­му из бо­ко­вых про­то­ков в труб­ку по­сту­пи­ла пор­ция пара. Пар вошел в труб­ку и под­нял воду до не­ко­то­ро­го но­во­го уров­ня, а часть воды вы­ли­лась из труб­ки в бас­сейн. При этом тем­пе­ра­ту­ра под­ня­той воды может ока­зать­ся выше тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния при новом дав­ле­нии, и вода не­мед­лен­но за­ки­па­ет.

При ки­пе­нии об­ра­зу­ет­ся пар, ко­то­рый еще выше под­ни­ма­ет воду, за­став­ляя ee вы­ли­вать­ся в бас­сейн. Дав­ле­ние на ниж­ние слои воды умень­ша­ет­ся, так что за­ки­па­ет вся остав­ша­я­ся в труб­ке вода. В этот мо­мент об­ра­зу­ет­ся боль­шое ко­ли­че­ство пара; рас­ши­ря­ясь, он с огром­ной ско­ро­стью устрем­ля­ет­ся вверх, вы­бра­сы­вая остат­ки воды из труб­ки  — про­ис­хо­дит из­вер­же­ние гей­зе­ра.

Но вот весь пар вышел, труб­ка по­сте­пен­но вновь за­пол­ня­ет­ся охла­див­шей­ся водой. Время от вре­ме­ни внизу слы­шат­ся взры­вы  — это в труб­ку из бо­ко­вых про­то­ков по­па­да­ют пор­ции пара. Од­на­ко оче­ред­ной вы­брос воды нач­нет­ся толь­ко тогда, когда вода в труб­ке на­гре­ет­ся до тем­пе­ра­ту­ры, близ­кой к тем­пе­ра­ту­ре ки­пе­ния.

Ве­ще­ства во­круг нас чаще всего на­хо­дят­ся в одном из трех ос­нов­ных аг­ре­гат­ных со­сто­я­ний  — твер­дом, жид­ком либо га­зо­об­раз­ном. При опре­де­лен­ных усло­ви­ях, своих для каж­до­го ве­ще­ства, воз­мож­ны пе­ре­хо­ды ве­ще­ства из од­но­го аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния в дру­гое. Аг­ре­гат­ные со­сто­я­ния ве­ще­ства часто на­зы­ва­ют фа­за­ми, а пе­ре­хо­ды между ними  — фа­зо­вы­ми пе­ре­хо­да­ми. На­при­мер, вода при тем­пе­ра­ту­ре 0 °C и дав­ле­нии 1 атм. пе­ре­хо­дит из жид­кой фазы в твер­дую (при от­во­де теп­ло­ты) либо из твер­дой фазы в жид­кую (при под­во­де теп­ло­ты). При от­сут­ствии теп­ло­об­ме­на с окру­жа­ю­щи­ми те­ла­ми две фазы ве­ще­ства могут су­ще­ство­вать од­но­вре­мен­но (на­при­мер, при тем­пе­ра­ту­ре 0 °C и дав­ле­нии 1 атм. лед и вода могут на­хо­дить­ся в теп­ло­вом рав­но­ве­сии друг с дру­гом). Опыт по­ка­зы­ва­ет, что тем­пе­ра­ту­ра, при ко­то­рой про­ис­хо­дит тот или иной фа­зо­вый пе­ре­ход, за­ви­сит от дав­ле­ния. На­при­мер, при по­ни­же­нии дав­ле­ния тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния воды по­ни­жа­ет­ся, и по­это­му вы­со­ко в горах вода кипит при тем­пе­ра­ту­ре, мень­шей 100 °C.

Для того чтобы опре­де­лять, в какой фазе будет на­хо­дить­ся ве­ще­ство при дан­ных усло­ви­ях, а также на­хо­дить, как будут про­ис­хо­дить вза­им­ные пре­вра­ще­ния между фа­за­ми, ис­поль­зу­ют­ся спе­ци­аль­ные гра­фи­ки, ко­то­рые на­зы­ва­ют­ся фа­зо­вы­ми диа­грам­ма­ми. В ка­че­стве при­ме­ра на ри­сун­ке по­ка­за­на фа­зо­вая диа­грам­ма для воды.

Фа­зо­вая диа­грам­ма пред­став­ля­ет собой гра­фик, по го­ри­зон­таль­ной оси ко­то­ро­го от­ло­же­на тем­пе­ра­ту­ра t (в °С), а по вер­ти­каль­ной оси  — дав­ле­ние р (в атм.). Ли­ни­я­ми на диа­грам­ме по­ка­за­ны все воз­мож­ные на­бо­ры тем­пе­ра­ту­ры и дав­ле­ния, при ко­то­рых про­ис­хо­дит тот или иной фа­зо­вый пе­ре­ход. На нашем ри­сун­ке линия АО со­от­вет­ству­ет фа­зо­во­му пе­ре­хо­ду лед-пар (и об­рат­но), линия ВО  — фа­зо­во­му пе­ре­хо­ду пар-жид­кость (и об­рат­но), линия СО  — фа­зо­во­му пе­ре­хо­ду жид­кость-лед (и об­рат­но). Со­от­вет­ствен­но, об­ла­сти I на диа­грам­ме со­от­вет­ству­ет твер­дое со­сто­я­ние воды, об­ла­сти II  — га­зо­об­раз­ное со­сто­я­ние, а об­ла­сти III  — жид­кое со­сто­я­ние. Для того чтобы опре­де­лить, в каком со­сто­я­нии на­хо­дит­ся вода при дан­ных усло­ви­ях, нужно вы­яс­нить, в какой из этих об­ла­стей на диа­грам­ме лежит со­от­вет­ству­ю­щая точка. На­при­мер, при тем­пе­ра­ту­ре +70 °C и дав­ле­нии 0,2 атм. со­от­вет­ству­ю­щая точка 1 лежит на диа­грам­ме в об­ла­сти II, что со­от­вет­ству­ет га­зо­об­раз­но­му со­сто­я­нию. Также при по­мо­щи фа­зо­вой диа­грам­мы можно опре­де­лять, какой фа­зо­вый пе­ре­ход будет со­вер­шать ве­ще­ство при из­ме­не­нии од­но­го из па­ра­мет­ров. На­при­мер, если при по­сто­ян­ном дав­ле­нии 1,3 атм. уве­ли­чи­вать тем­пе­ра­ту­ру от −50 °C до +40 °C, то вода будет пе­ре­хо­дить из твер­до­го со­сто­я­ния 2 в жид­кое со­сто­я­ние 3. На­ко­нец, при по­мо­щи фа­зо­вой диа­грам­мы можно вы­яс­нить, как из­ме­ня­ет­ся тем­пе­ра­ту­ра фа­зо­во­го пе­ре­хо­да при из­ме­не­нии дав­ле­ния. На­при­мер, из диа­грам­мы видно, что при по­вы­ше­нии дав­ле­ния тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся (кри­вая ОВ).

Из фа­зо­вой диа­грам­мы видно, что линии АО, ВО и СО схо­дят­ся в одной точке О. Это озна­ча­ет, что при тем­пе­ра­ту­ре и дав­ле­нии, со­от­вет­ству­ю­щих точке О, три фазы воды (твер­дая, жид­кая и га­зо­об­раз­ная) могут од­но­вре­мен­но су­ще­ство­вать в рав­но­ве­сии друг с дру­гом. Точка О на­зы­ва­ет­ся трой­ной точ­кой.

Не­об­хо­ди­мость в отоп­ле­нии воз­ник­ла в не­за­па­мят­ные вре­ме­на, од­но­вре­мен­но с тем, как люди на­учи­лись стро­ить для себя самые при­ми­тив­ные жи­ли­ща. Пер­вые жи­ли­ща отап­ли­ва­лись ко­стра­ми, потом их сме­ни­ли очаги, затем  — печи. В ходе тех­ни­че­ско­го про­грес­са си­сте­мы отоп­ле­ния по­сто­ян­но со­вер­шен­ство­ва­лись и улуч­ша­лись. Люди учи­лись при­ме­нять новые виды топ­ли­ва, при­ду­мы­ва­ли раз­ные кон­струк­ции ото­пи­тель­ных при­бо­ров, стре­ми­лись умень­шить рас­ход го­рю­че­го и сде­лать ра­бо­ту ото­пи­тель­ной си­сте­мы ав­то­ном­ной, не тре­бу­ю­щей по­сто­ян­но­го кон­тро­ля че­ло­ве­ка. В на­сто­я­щее время наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли си­сте­мы во­дя­но­го отоп­ле­ния, ко­то­рое при­ме­ня­ет­ся для обо­гре­ва как мно­го­квар­тир­ных домов в го­ро­дах, так и не­боль­ших зда­ний в сель­ской мест­но­сти. Прин­цип ра­бо­ты си­сте­мы во­дя­но­го отоп­ле­ния (см. рис.) удоб­но по­яс­нить на при­ме­ре ото­пи­тель­ной си­сте­мы не­боль­шо­го жи­ло­го дома.

Ис­точ­ни­ком теп­ло­ты для ото­пи­тель­ной си­сте­мы слу­жит печь 1, в ко­то­рой могут сго­рать раз­лич­ные виды ор­га­ни­че­ско­го топ­ли­ва  — дрова, торф, ка­мен­ный уголь, при­род­ный газ, неф­те­про­дук­ты и пр. Печь на­гре­ва­ет воду в котле 2. При на­гре­ва­нии вода рас­ши­ря­ет­ся и ее плот­ность умень­ша­ет­ся, в ре­зуль­та­те чего она под­ни­ма­ет­ся из котла вверх по вер­ти­каль­но­му глав­но­му сто­я­ку 3. В верх­ней части глав­но­го сто­я­ка рас­по­ло­жен име­ю­щий выход в ат­мо­сфе­ру рас­ши­ри­тель­ный бак 4, ко­то­рый не­об­хо­дим из-за того, что объем воды уве­ли­чи­ва­ет­ся при на­гре­ва­нии. От верх­ней части глав­но­го сто­я­ка от­хо­дит труба 5 («го­ря­чий тру­бо­про­вод»), по ко­то­ро­му вода по­да­ет­ся к ото­пи­тель­ным при­бо­рам  — ба­та­ре­ям 6, со­сто­я­щим из не­сколь­ких сек­ций каж­дая. После про­те­ка­ния через ба­та­реи остыв­шая вода по об­рат­но­му тру­бо­про­во­ду 7 вновь по­па­да­ет в котел, опять на­гре­ва­ет­ся и снова под­ни­ма­ет­ся по глав­но­му сто­я­ку. При наи­бо­лее про­стой од­но­труб­ной схеме все ба­та­реи со­еди­ня­ют­ся друг с дру­гом таким об­ра­зом, что все сек­ции ока­зы­ва­ют­ся па­рал­лель­но под­со­еди­нен­ны­ми к го­ря­че­му и к об­рат­но­му тру­бо­про­во­ду. По­сколь­ку вода при про­те­ка­нии через ба­та­реи по­сте­пен­но осты­ва­ет, для под­дер­жа­ния оди­на­ко­вой тем­пе­ра­ту­ры в раз­ных по­ме­ще­ни­ях в них де­ла­ют ба­та­реи с раз­ным чис­лом сек­ций (то есть с раз­ной пло­ща­дью по­верх­но­сти). В тех ком­на­тах, в ко­то­рые вода по­сту­па­ет рань­ше и по­это­му имеет более вы­со­кую тем­пе­ра­ту­ру, ко­ли­че­ство сек­ций в ба­та­ре­ях де­ла­ют мень­ше, и на­о­бо­рот. Вода в такой ото­пи­тель­ной си­сте­ме цир­ку­ли­ру­ет ав­то­ма­ти­че­ски, до тех пор пока в печи горит топ­ли­во. Для того чтобы цир­ку­ля­ция была воз­мож­на, все го­ря­чие тру­бо­про­во­ды и об­рат­ные тру­бо­про­во­ды в си­сте­ме де­ла­ют либо вер­ти­каль­ны­ми, либо с не­боль­шим укло­ном в нуж­ную сто­ро­ну  — так, чтобы вода по ним шла от глав­но­го сто­я­ка об­рат­но к котлу под дей­стви­ем силы тя­же­сти («са­мо­те­ком»). Ско­рость цир­ку­ля­ции воды и сте­пень обо­гре­ва можно ре­гу­ли­ро­вать, умень­шая или уве­ли­чи­вая ко­ли­че­ство топ­ли­ва, сго­ра­ю­ще­го в печи в еди­ни­цу вре­ме­ни. Вода цир­ку­ли­ру­ет в ото­пи­тель­ных си­сте­мах та­ко­го типа тем лучше, чем боль­ше рас­сто­я­ние по вы­со­те между кот­лом и го­ря­чим тру­бо­про­во­дом. По­это­му печь с кот­лом ста­ра­ют­ся рас­по­ла­гать как можно ниже -обыч­но их ста­вят в под­ва­ле либо, при его от­сут­ствии, опус­ка­ют до уров­ня земли, а го­ря­чий тру­бо­про­вод про­во­дят по чер­да­ку.

Для нор­маль­ной ра­бо­ты ото­пи­тель­ной си­сте­мы очень важно, чтобы внут­ри нее не было воз­ду­ха. Для вы­пус­ка воз­душ­ных про­бок, ко­то­рые могут воз­ни­кать в тру­бах и в ба­та­ре­ях, слу­жат спе­ци­аль­ные воз­ду­хо­от­вод­чи­ки, ко­то­рые от­кры­ва­ют­ся при за­пол­не­нии си­сте­мы водой (на ри­сун­ке не по­ка­за­ны). Также на тру­бах в ниж­ней части си­сте­мы уста­нав­ли­ва­ют­ся краны 8, при по­мо­щи ко­то­рых из ото­пи­тель­ной си­сте­мы при не­об­хо­ди­мо­сти сли­ва­ет­ся вода.

Из­вест­но, что при из­ме­не­нии внеш­них усло­вий  — тем­пе­ра­ту­ры или дав­ле­ния  — ве­ще­ство может из­ме­нять свое аг­ре­гат­ное со­сто­я­ние (пе­ре­хо­дить из га­зо­об­раз­ной формы в жид­кую, из жид­кой в твер­дую, либо из га­зо­об­раз­ной в твер­дую, и об­рат­но). Од­на­ко, как по­ка­зы­ва­ет опыт, воз­мо­жен и дру­гой тип пре­вра­ще­ния ве­ще­ства. Ве­ще­ство при из­ме­не­нии внеш­них усло­вий может из­ме­нять какие-либо свои свой­ства, оста­ва­ясь при этом в преж­нем аг­ре­гат­ном со­сто­я­нии. Такие из­ме­не­ния свойств ве­ще­ства на­зы­ва­ют фа­зо­вы­ми пе­ре­хо­да­ми, и го­во­рят, что ве­ще­ство пе­ре­шло из одной фазы в дру­гую. Любое из­ме­не­ние аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния, есте­ствен­но, яв­ля­ет­ся фа­зо­вым пе­ре­хо­дом. Об­рат­ное утвер­жде­ние не­вер­но. Таким об­ра­зом, фа­зо­вый пе­ре­ход  — более ши­ро­кое по­ня­тие, чем из­ме­не­ние аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния.

Раз­ли­ча­ют два ос­нов­ных типа фа­зо­вых пе­ре­хо­дов. Их так и на­зы­ва­ют  — фа­зо­вый пе­ре­ход пер­во­го рода и фа­зо­вый пе­ре­ход вто­ро­го рода. При фа­зо­вом пе­ре­хо­де пер­во­го рода скач­ком из­ме­ня­ют­ся плот­ность ве­ще­ства и его внут­рен­няя энер­гия (при этом дру­гие ха­рак­те­ри­сти­ки также могут ме­нять­ся). По­след­нее озна­ча­ет, что при фа­зо­вом пе­ре­хо­де пер­во­го рода вы­де­ля­ет­ся или по­гло­ща­ет­ся теп­ло­та. При­ме­ра­ми фа­зо­во­го пе­ре­хо­да пер­во­го рода как раз могут слу­жить упо­мя­ну­тые выше из­ме­не­ния аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния ве­ще­ства. На­при­мер, при пре­вра­ще­нии воды в лед плот­ность ве­ще­ства умень­ша­ет­ся (ве­ще­ство рас­ши­ря­ет­ся) и вы­де­ля­ет­ся теп­ло­та за­мер­за­ния (рав­ная по мо­ду­лю теп­ло­те плав­ле­ния, по­гло­ща­ю­щей­ся при об­рат­ном фа­зо­вом пе­ре­хо­де). При этом умень­ша­ет­ся удель­ная теп­ло­ем­кость ве­ще­ства.

При фа­зо­вом пе­ре­хо­де вто­ро­го рода плот­ность ве­ще­ства и его внут­рен­няя энер­гия оста­ют­ся не­из­мен­ны­ми, по­это­му такие пе­ре­хо­ды могут быть внеш­не не­за­мет­ны­ми. Зато скач­ко­об­раз­но из­ме­ня­ют­ся удель­ная теп­ло­ем­кость ве­ще­ства, его ко­эф­фи­ци­ент теп­ло­во­го рас­ши­ре­ния и не­ко­то­рые дру­гие ха­рак­те­ри­сти­ки. При­ме­ра­ми фа­зо­вых пе­ре­хо­дов вто­ро­го рода могут слу­жить пе­ре­ход ме­тал­лов и спла­вов из обыч­но­го со­сто­я­ния в сверх­про­во­дя­щее, а также пе­ре­ход твер­дых ве­ществ из аморф­но­го со­сто­я­ния в стек­ло­об­раз­ное.

Ин­те­рес­ные при­ме­ры фа­зо­вых пе­ре­хо­дов пер­во­го рода на­блю­да­ют­ся у не­ко­то­рых ме­тал­лов. На­при­мер, если на­гре­вать же­ле­зо, то при до­сти­же­нии тем­пе­ра­ту­ры +917 °C про­ис­хо­дит пе­ре­строй­ка его кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ки, в ре­зуль­та­те чего на­блю­да­ет­ся уве­ли­че­ние плот­но­сти ве­ще­ства и по­гло­ща­ет­ся теп­ло­та фа­зо­во­го пе­ре­хо­да. Этот фа­зо­вый пе­ре­ход об­ра­тим  — при по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры об­рат­но до +917 °C плот­ность же­ле­за, на­о­бо­рот, умень­ша­ет­ся, и про­ис­хо­дит вы­де­ле­ние теп­ло­ты фа­зо­во­го пе­ре­хо­да.

Фа­зо­вые пе­ре­хо­ды могут быть и не­об­ра­ти­мы­ми. Ярким при­ме­ром та­ко­го пе­ре­хо­да может слу­жить пре­вра­ще­ние так на­зы­ва­е­мо­го «бе­ло­го олова» в так на­зы­ва­е­мое «серое олово». При ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре белое олово яв­ля­ет­ся пла­стич­ным ме­тал­лом. При по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры до при­мер­но +13 °C оно на­чи­на­ет мед­лен­но пе­ре­хо­дить в дру­гое фа­зо­вое со­сто­я­ние  — серое олово  — в ко­то­ром олово су­ще­ству­ет в виде по­рош­ка. Фа­зо­вый пе­ре­ход про­ис­хо­дит с очень малой ско­ро­стью (то есть после по­ни­же­ния тем­пе­ра­ту­ры ниже точки фа­зо­во­го пе­ре­хо­да олово все еще оста­ет­ся белым, но это со­сто­я­ние не­ста­биль­но). Од­на­ко фа­зо­вый пе­ре­ход резко уско­ря­ет­ся при по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры до –33 °C, а также при кон­так­те се­ро­го олова с белым оло­вом. По­сколь­ку при дан­ном фа­зо­вом пе­ре­хо­де про­ис­хо­дит рез­кое умень­ше­ние плот­но­сти (и уве­ли­че­ние объ­е­ма), то оло­вян­ные пред­ме­ты рас­сы­па­ют­ся в по­ро­шок, при­чем по­па­да­ние этого по­рош­ка на «не по­ра­жен­ные» пред­ме­ты при­во­дит к их быст­рой порче (пред­ме­ты как бы «за­ра­жа­ют­ся»). Вер­нуть серое олово в ис­ход­ное со­сто­я­ние воз­мож­но толь­ко путем его пе­ре­плав­ки.

Опи­сан­ное яв­ле­ние по­лу­чи­ло на­зва­ние «оло­вян­ная чума». Оно яви­лось ос­нов­ной при­чи­ной ги­бе­ли экс­пе­ди­ции Р. Ф. Скот­та к Юж­но­му по­лю­су в 1912 г. (экс­пе­ди­ция оста­лась без топ­ли­ва  — оно вы­тек­ло из баков, за­па­ян­ных оло­вом, ко­то­рое по­ра­зи­ла «оло­вян­ная чума»). Также су­ще­ству­ет ле­ген­да, со­глас­но ко­то­рой одной из при­чин не­уда­чи армии На­по­лео­на в Рос­сии яви­лись силь­ные зим­ние мо­ро­зы, ко­то­рые пре­вра­ти­ли в по­ро­шок оло­вян­ные пу­го­ви­цы на мун­ди­рах сол­дат. «Оло­вян­ная чума» по­гу­би­ла мно­гие цен­ней­шие кол­лек­ции оло­вян­ных сол­да­ти­ков. На­при­мер, в за­пас­ни­ках пе­тер­бург­ско­го музея Алек­сандра Су­во­ро­ва пре­вра­ти­лись в труху де­сят­ки фи­гу­рок  — в под­ва­ле, где они хра­ни­лись, во время су­ро­вой зимы лоп­ну­ли ба­та­реи отоп­ле­ния.

В воз­ду­хе все­гда при­сут­ству­ют во­дя­ные пары, кон­цен­тра­ция ко­то­рых может быть раз­лич­ной. Опыт по­ка­зы­ва­ет, что кон­цен­тра­ция паров не может пре­вы­шать не­ко­то­ро­го мак­си­маль­но воз­мож­но­го зна­че­ния nmax (для каж­дой тем­пе­ра­ту­ры это зна­че­ние свое). Пары с кон­цен­тра­ци­ей, рав­ной n_max, на­зы­ва­ют­ся на­сы­щен­ны­ми. С ро­стом тем­пе­ра­ту­ры мак­си­маль­но воз­мож­ная кон­цен­тра­ция во­дя­ных паров также рас­тет. От­но­ше­ние кон­цен­тра­ции n

во­дя­ных паров при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре к мак­си­маль­но воз­мож­ной кон­цен­тра­ции при той же тем­пе­ра­ту­ре на­зы­ва­ет­ся от­но­си­тель­ной влаж­но­стью, ко­то­рая обо­зна­ча­ет­ся бук­вой f. От­но­си­тель­ную влаж­ность

при­ня­то из­ме­рять в про­цен­тах. Из ска­зан­но­го сле­ду­ет, что f  =  (n/n_max) · 100%.

При этом от­но­си­тель­ная влаж­ность не может пре­вы­шать 100%.

Пусть при не­ко­то­рой тем­пе­ра­ту­ре t кон­цен­тра­ция во­дя­ных паров в воз­ду­хе равна n, а от­но­си­тель­ная влаж­ность мень­ше, чем 100%. Если тем­пе­ра­ту­ра будет по­ни­жать­ся, то вме­сте с ней будет умень­шать­ся и ве­ли­чи­на nmax, а зна­чит, от­но­си­тель­ная влаж­ность будет уве­ли­чи­вать­ся. При не­ко­то­рой кри­ти­че­ской тем­пе­ра­ту­ре от­но­си­тель­ная влаж­ность до­стиг­нет зна­че­ния 100% (в этот мо­мент кон­цен­тра­ция во­дя­ных паров ста­нет мак­си­маль­но воз­мож­ной при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре). По­это­му даль­ней­шее по­ни­же­ние тем­пе­ра­ту­ры при­ве­дет к пе­ре­хо­ду во­дя­ных паров в жид­кое со­сто­я­ние  — в воз­ду­хе об­ра­зу­ют­ся капли ту­ма­на, а на пред­ме­тах вы­па­дут капли росы. По­это­му упо­мя­ну­тая выше кри­ти­че­ская тем­пе­ра­ту­ра на­зы­ва­ет­ся точ­кой росы (обо­зна­ча­ет­ся tр).

На из­ме­ре­нии точки росы ос­но­ва­но дей­ствие при­бо­ра для опре­де­ле­ния от­но­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха  — кон­ден­са­ци­он­но­го гиг­ро­мет­ра. Он со­сто­ит из зер­каль­ца, ко­то­рое может охла­ждать­ся при по­мо­щи ка­ко­го-либо

устрой­ства, и точ­но­го тер­мо­мет­ра для из­ме­ре­ния тем­пе­ра­ту­ры зер­каль­ца. При по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры зер­каль­ца до точки росы на нем вы­па­да­ют капли жид­ко­сти. Ве­ли­чи­ну от­но­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха опре­де­ля­ют по из­ме­рен­но­му зна­че­нию точки росы при по­мо­щи спе­ци­аль­ных таб­лиц.

Су­ще­ству­ет еще одна раз­но­вид­ность ту­ма­на  — ле­дя­ной туман. Он на­блю­да­ет­ся при тем­пе­ра­ту­рах ниже −(10 ÷ 15) °C и со­сто­ит из мел­ких кри­стал­ли­ков льда, ко­то­рые свер­ка­ют либо в лучах солн­ца, либо в свете луны или фо­на­рей. Осо­бен­но­стью ле­дя­но­го ту­ма­на яв­ля­ет­ся то, что он может на­блю­дать­ся и при от­но­си­тель­ной влаж­но­сти, мень­шей 100% (даже менее 50%). Усло­ви­ем воз­ник­но­ве­ния ле­дя­но­го ту­ма­на при низ­кой от­но­си­тель­ной влаж­но­сти яв­ля­ет­ся очень низ­кая тем­пе­ра­ту­ра (ниже −30 °C) и на­ли­чие обиль­ных ис­точ­ни­ков во­дя­но­го пара (на­при­мер, труб и сточ­ных во­до­е­мов

про­мыш­лен­ных пред­при­я­тий, печ­ных труб жилых по­ме­ще­ний, вы­хлоп­ных труб мощ­ных дви­га­те­лей внут­рен­не­го сго­ра­ния и т. п.). По­это­му ле­дя­ной туман при низ­кой влаж­но­сти на­блю­да­ет­ся в на­се­лен­ных пунк­тах, на круп­ных же­лез­но­до­рож­ных стан­ци­ях, на ак­тив­но дей­ству­ю­щих аэро­дро­мах и т. п.

Еже­днев­но мы на­блю­да­ем, как вода и ее пар пе­ре­хо­дят друг в друга. Лужи на ас­фаль­те после дождя вы­сы­ха­ют, а во­дя­ной пар в воз­ду­хе по утрам часто пре­вра­ща­ет­ся в мель­чай­шие ка­пель­ки ту­ма­на.

Что про­изой­дет, если сосуд с не­ко­то­рым объ­е­мом жид­ко­сти за­крыть крыш­кой? Каж­дую се­кун­ду по­верх­ность жид­ко­сти по-преж­не­му будут по­ки­дать самые быст­рые мо­ле­ку­лы, ее масса будет умень­шать­ся, а кон­цен­тра­ция мо­ле­кул пара – уве­ли­чи­вать­ся. Од­но­вре­мен­но с этим в жид­кость из пара будет воз­вра­щать­ся часть его мо­ле­кул, и чем боль­ше будет кон­цен­тра­ция пара, тем ин­тен­сив­ней будет про­цесс кон­ден­са­ции. На­ко­нец на­сту­пит такое со­сто­я­ние, когда число мо­ле­кул, воз­вра­ща­ю­щих­ся в жид­кость в еди­ни­цу вре­ме­ни, в сред­нем ста­нет рав­ным числу мо­ле­кул, по­ки­да­ю­щих ее за это время. Такое со­сто­я­ние на­зы­ва­ют ди­на­ми­че­ским рав­но­ве­си­ем, а со­от­вет­ству­ю­щий пар  — на­сы­щен­ным паром.

Дав­ле­ние на­сы­щен­но­го пара за­ви­сит от вида жид­ко­сти и тем­пе­ра­ту­ры. Чем тя­же­лее ото­рвать мо­ле­ку­лы жид­ко­сти друг от друга, тем мень­ше будет дав­ле­ние ее на­сы­щен­но­го пара. За­ви­си­мость дав­ле­ния на­сы­щен­но­го во­дя­но­го пара от тем­пе­ра­ту­ры пред­став­ле­на на ри­сун­ке.

За­ви­си­мость дав­ле­ния на­сы­щен­но­го во­дя­но­го пара от тем­пе­ра­ту­ры

Ки­пе­ни­ем на­зы­ва­ет­ся про­цесс об­ра­зо­ва­ния боль­шо­го числа пу­зырь­ков пара, про­ис­хо­дя­щий по всему объ­е­му жид­ко­сти и на ее по­верх­но­сти при на­гре­ва­нии. На самом деле эти пу­зырь­ки при­сут­ству­ют в жид­ко­сти все­гда, но их раз­ме­ры рас­тут и они ста­но­вят­ся за­мет­ны толь­ко при ки­пе­нии. Пу­зырь­ки рас­ши­ря­ют­ся и под дей­стви­ем вы­тал­ки­ва­ю­щей силы Ар­хи­ме­да от­ры­ва­ют­ся от дна, всплы­ва­ют и ло­па­ют­ся на по­верх­но­сти.

Ки­пе­ние на­чи­на­ет­ся при той тем­пе­ра­ту­ре, когда пу­зырь­ки газа имеют воз­мож­ность рас­ши­рять­ся, а это про­ис­хо­дит, если дав­ле­ние на­сы­щен­но­го пара вы­рас­тет до ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния. Таким об­ра­зом, тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния  — это тем­пе­ра­ту­ра, при ко­то­рой дав­ле­ние на­сы­щен­но­го пара дан­ной жид­ко­сти равно ат­мо­сфер­но­му дав­ле­нию (дав­ле­нию над по­верх­но­стью жид­ко­сти).

В 2011 году во время съе­мок ком­па­ни­ей Би-би-си цикла пе­ре­дач «За­мерз­шая пла­не­та» опе­ра­то­рам впер­вые уда­лось за­до­ку­мен­ти­ро­вать очень ин­те­рес­ный про­цесс: в толще оке­а­ни­че­ских вод Ан­тарк­ти­ки под ле­дя­ным по­кро­вом на­чи­на­ет фор­ми­ро­вать­ся и расти вниз ко дну мор­ская со­суль­ка (брай­никл).

В том слу­чае, если брай­ник­лу уда­ет­ся до­стичь дна, он про­дол­жа­ет раз­рас­тать­ся в сто­ро­ну по­ни­же­ния уров­ня по­верх­но­сти дна (рис. 1). При этом он спо­со­бен убить все живое на своем пути (мор­ских звезд и ежей, рыб, во­до­рос­ли). Имен­но по этой при­чи­не его еще на­зы­ва­ют «ле­дя­ным паль­цем смер­ти».

Воз­ник­но­ве­ние этого при­род­но­го фе­но­ме­на воз­мож­но толь­ко в ле­дя­ных водах у по­лю­сов. Когда по­верх­ность со­ле­ной воды за­мер­за­ет, ме­ня­ет­ся со­став и кон­цен­тра­ция соли в воде под ле­дя­ной кор­кой. При об­ра­зо­ва­нии льда из него вы­тес­ня­ет­ся прак­ти­че­ски вся соль. Таким об­ра­зом, вода подо льдом ста­но­вит­ся более со­ле­ной и плот­ной. По­вы­шен­ная кон­цен­тра­ция соли по­ни­жа­ет тем­пе­ра­ту­ру за­мер­за­ния воды (рис. 2) и уве­ли­чи­ва­ет ее плот­ность. В ре­зуль­та­те тя­же­лый со­ле­вой рас­твор на­чи­на­ет опус­кать­ся вниз (то­нуть). Нис­хо­дя­щий поток со­ле­во­го рас­тво­ра, име­ю­щий экс­тре­маль­но хо­лод­ную тем­пе­ра­ту­ру, при­во­дит к за­мер­за­нию менее со­ле­ной окру­жа­ю­щей воды и об­ра­зо­ва­нию ле­дя­но­го ка­на­ла в виде труб­ки.

По­ри­стый лед брай­ник­ла имеет труб­ча­тую струк­ту­ру. По­это­му его нель­зя срав­нить с более плот­ным льдом, об­ра­зо­вав­шим­ся из прес­ной воды.

Туман со­сто­ит в ос­нов­ном из ка­пе­лек воды, име­ю­щих диа­метр от 0,5 до 100 мкм. Если в ту­ма­не пре­об­ла­да­ют очень мел­кие ка­пель­ки (диа­метр мень­ше 1 мкм), то такой туман на­зы­ва­ет­ся дым­кой. Если же капли ту­ма­на от­но­си­тель­но ве­ли­ки (диа­метр по­ряд­ка 100 мкм), то это так на­зы­ва­е­мая мо­рось.

В за­ви­си­мо­сти от раз­ме­ра ка­пе­лек воды туман может иметь раз­лич­ный от­те­нок. Цвет ту­ма­на опре­де­ля­ет­ся све­то­вы­ми вол­на­ми, ко­то­рые, рас­се­и­ва­ясь на ка­пель­ках воды, по­па­да­ют в глаз на­блю­да­те­ля. Ка­пель­ки диа­мет­ром много боль­ше мик­ро­мет­ра прак­ти­че­ски оди­на­ко­во рас­се­и­ва­ют свет во всем ин­тер­ва­ле длин волн, вос­при­ни­ма­е­мых гла­зом. Этим объ­яс­ня­ет­ся мо­лоч­но-белый и бе­ле­со­ва­тый цвет мо­ро­си. Мел­кие же ка­пель­ки дымки рас­се­и­ва­ют пре­иму­ще­ствен­но более ко­рот­кие све­то­вые волны, по­это­му ту­ман­ная дымка окра­ше­на в си­не­ва­тые и го­лу­бо­ва­тые тона.

В из­вест­ном смыс­ле воз­ник­но­ве­ние ту­ма­на есть яв­ле­ние вы­па­де­ния росы. Су­ще­ствен­но, од­на­ко, что кон­ден­са­ция во­дя­но­го пара в дан­ном слу­чае про­ис­хо­дит не на по­верх­но­сти земли, ли­стьев или тра­ви­нок, а в объ­е­ме воз­ду­ха. Цен­тра­ми кон­ден­са­ции могут слу­жить слу­чай­но об­ра­зу­ю­щи­е­ся скоп­ле­ния мо­ле­кул, ионы, а также пы­лин­ки, ча­стич­ки сажи и дру­гие мел­кие за­гряз­не­ния в воз­ду­хе.

Для воз­ник­но­ве­ния ту­ма­на не­об­хо­ди­мо, чтобы во­дя­ной пар в воз­ду­хе стал не про­сто на­сы­щен­ным, а пе­ре­сы­щен­ным. Во­дя­ной пар ста­но­вит­ся на­сы­щен­ным, если при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре про­цес­сы ис­па­ре­ния воды и кон­ден­са­ции во­дя­но­го пара вза­им­но ком­пен­си­ру­ют­ся, т. е. в си­сте­ме вода−пар уста­нав­ли­ва­ет­ся со­сто­я­ние тер­мо­ди­на­ми­че­ско­го рав­но­ве­сия. На ри­сун­ке пред­став­лен гра­фик за­ви­си­мо­сти плот­но­сти на­сы­щен­но­го во­дя­но­го пара от тем­пе­ра­ту­ры.

Во­дя­ной пар, со­сто­я­ние ко­то­ро­го со­от­вет­ству­ет точке А, ста­но­вит­ся на­сы­щен­ным при охла­жде­нии (про­цесс АВ) или в про­цес­се до­пол­ни­тель­но­го ис­па­ре­ния воды (про­цесс АС). Со­от­вет­ствен­но, вы­па­да­ю­щий туман на­зы­ва­ют ту­ма­ном охла­жде­ния или ту­ма­ном ис­па­ре­ния.

В по­след­нее сто­ле­тие че­ло­ве­че­ство в пол­ной мере осо­зна­ло, что мно­гие бо­лез­ни не­по­сред­ствен­но свя­за­ны с за­гряз­не­ни­ем ат­мо­сфе­ры и вод­ных ре­сур­сов, с не­доб­ро­ка­че­ствен­ны­ми про­дук­та­ми. За­ви­сит здо­ро­вье на­се­ле­ния от раз­ных фак­то­ров.

Огром­ное ко­ли­че­ство за­гряз­ня­ю­щих ве­ществ вы­бра­сы­ва­ет­ся в окру­жа­ю­щую среду в ре­зуль­та­те тех­но­ген­ных ава­рий и сбоев в си­сте­мах тех­ни­че­ско­го обес­пе­че­ния. Сотни тысяч ав­то­мо­би­лей, кур­си­ру­ю­щих в боль­ших го­ро­дах, вы­бра­сы­ва­ют в воз­дух тонны уг­ле­во­до­ро­дов и дру­гих ве­ществ, ко­то­рые раз­ла­га­ют­ся под дей­стви­ем уль­тра­фи­о­ле­то­вых лучей и об­ра­зу­ют ядо­ви­тые ту­ма­ны.

От­дель­ной про­бле­мой яв­ля­ет­ся за­гряз­не­ние по­верх­ност­ных и под­зем­ных ис­точ­ни­ков воды. В про­мыш­лен­но раз­ви­тых стра­нах наи­бо­лее часто в воде ре­ги­стри­ру­ет­ся по­вы­шен­ное со­дер­жа­ние же­ле­за, фтора, мар­ган­ца, хло­ри­дов и др. Смыв с сель­ско­хо­зяй­ствен­ных полей азот­ных удоб­ре­ний зна­чи­тель­но по­вы­ша­ет со­дер­жа­ние в воде от­но­си­тель­но без­вред­ных нит­ра­тов, ко­то­рые, од­на­ко, могут пре­вра­щать­ся в опас­ные нит­ри­ты. Попав в кровь, нит­ри­ты со­еди­ня­ют­ся с ге­мо­гло­би­ном и тем самым резко умень­ша­ют спо­соб­ность крови вы­пол­нять свою глав­ную функ­цию.

Опас­ные для здо­ро­вья ве­ще­ства с грун­то­вы­ми во­да­ми могут по­па­дать в мест­ные ис­точ­ни­ки пи­тье­во­го во­до­снаб­же­ния. Опа­сен также пе­ре­ход за­гряз­ня­ю­щих ве­ществ из почвы в про­дук­ты пи­та­ния. Ин­тен­сив­ное ис­поль­зо­ва­ние ядо­хи­ми­ка­тов в сель­ском хо­зяй­стве при­во­дит к на­коп­ле­нию пе­сти­ци­дов в поч­вах. В таких рай­о­нах чаще, чем в дру­гих, рож­да­ют­ся дети, стра­да­ю­щие тя­же­лы­ми за­бо­ле­ва­ни­я­ми, выше за­бо­ле­ва­е­мость среди на­се­ле­ния.