МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ

(от греч. meta...— приставка, означающая здесь изменение, переход к ч.-л. другому, и лат. stabilis — устойчивый) в термодинамике, состояние неустойчивого равновесия физ. макроскопич. системы, в к-ром система может находиться длит. время, не переходя в более устойчивое (при данных условиях) состояние (фазу).

Существование М. с. связано с особенностями кинетики фазовых переходов. Фазовый переход начинается с возникновения зародышей новой фазы: пузырьков пара при переходе жидкости в пар, микрокристалликов при переходе жидкости в крист. состояние и т. п. Для образования зародышей требуются затраты энергии на создание поверхностей раздела фаз. Росту образовавшихся зародышей мешает значит. кривизна их поверхности (см. КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ), приводящая при кристаллизации к повышенной растворимости зародышей тв. фазы, при конденсации жидкости — к испарению мельчайших капелек, при парообразовании — к повышенной упругости пара внутри маленьких пузырьков. Указанные факторы могут сделать энергетически невыгодными возникновение и рост зародышей новой фазы и задержать переход системы из М. с. в абсолютно устойчивое состояние при данных условиях. Фактором, способствующим сохранению М. с., может быть высокая вязкость в-ва, препятствующая, напр., установлению упорядоченного расположения молекул в аморфных тв. телах (кристаллизации стёкол).

М. с. часто встречается в природе а используется в науке и технике.С существованием М. с. связаны, напр., явления магн., электрич. и упругого гистерезиса, закалка стали, образование пересыщенных р-ров и т. п. В науч. исследованиях пар в перегретом состоянии использовался для регистрации треков заряж. ч-ц в Вильсона камере; в совр. пузырьковых камерах для тех же целей применяют находящиеся в М. с. жидкости.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1983.

- состояние неполного равновесия макроскопич. системы, соответствующее одному из минимумов термодинамич. потенциала системы при заданных внеш. условиях. Устойчивому (стабильному) состоянию отвечает самый глубокий минимум. Однородная система в M. с. удовлетворяет условиям устойчивости равновесия термодинамического МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ фото №1 относительно малых возмущений физ. параметров (энтропии, плотности и др.). При достаточно больших возмущениях система переходит в абсолютно устойчивое состояние.

Большой класс M. с. связан с фазовыми переходами 1-го рода (кристалл жидкость газ). Для одноком-понентной системы Гиббса энергия Ф(Т, P)[или хим. потенциал МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ фото №4 - число частиц в системе] изображается поверхностью с самопересечением. На линии пересечения хим. потенциалов двух фаз возможно равновесное сосуществование фаз. Точка s на рис. 1 - след такой линии на плоскости МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ фото №6 M. с. двух фаз соответствуют участки . M. с. характеризуется конечным временем жизни.

МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ фото №8

При отсутствии конкурирующей (более устойчивой) фазы распад M. с. начинается с возникновения жизнеспособных зародышей в результате флуктуации, напр, капелек жидкости в пересыщенном паре или пузырьков пара в перегретой жидкости (см. Переохлаждение, Перегрев).

Мин. работа W, к-рую нужно затратить для создания зародыша радиуса r, состоит из объёмного и поверхностного вкладов. Зависимость W от r показана на рис. 2. Положение максимума МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ фото №9 определяет размер критич. зародыша. С ростом пересыщения значения убывают. Притермодинамически обусловлен рост зародыша. Для сферич. зародышей , где МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ фото №13 - коэф. поверхностного натяжения на границе фаз,- давления в критич. T - T₀| при заданном давлении или разность хим. потенциалов Dm метастабильной и стабильной фаз, МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ фото №16 - удельный объём стабильной фазы.

В большинстве реальных ситуаций распад M. с. происходит до достижения заметной скорости гомогенного зародышеобразования, к к-рому относится теория. Начало фазового перехода облегчается влиянием стенок и присутствием в объёме системы разл. включений, существенно снижающих работу образования жизнеспособных зародышей устойчивой фазы. В этом случае говорят о гетерогенном за-родышеобразовании. Специально поставленные опыты с перегретыми и переохлаждёнными жидкостями приводят к результатам, к-рые согласуются с предсказаниями теории флуктуац. (гомогенного) зародышеобразования. В опытах альтернативой медленному изменению состояния в "чистой" системе служит режим быстрого создания такого пересыщения, при к-ром осн. доля фазового перехода обусловлена массой флуктуац. зародышей, а вклад гетерогенного зародышеобразования незначителен.

Две фазы, метастабильные по отношению к третьей фазе, могут сосуществовать друг с другом. При этом удовлетворяются обычные условия равновесия фаз:

МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ фото №17 Примером является переохлаждённая жидкость и пар над ней при гдез T_тр - темп-pa тройной точки кристалл - жидкость - пар. Др. пример - равновесие кристалл - жидкость на продолжении линии плавления за тройную точку, т. е. при МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ фото №19 Аналогичный приём построения расширенных диаграмм состояния используют для систем с полиморфными превращениями (см. Полиморфизм). Это связано с тем, что MH. кристаллич. материалы получают на основе метастабильных модификаций. Большое практич. значение имело построение фазовой диаграммы графит - алмаз. В двух- и многокомпонентных системах нужно учитывать возможность метастабиль-ности, вызванной концентрац. пересыщением.

M. с.- неравновесное состояние термодинамич. системы. Для определённости обычно предполагают, что система, находящаяся в M. с., прорелаксировала по всем признакам, кроме тех флуктуац. мод, к-рые приводят к возйикновению жизнеспособных зародышей. Иначе говоря, характерное время ожидания распада M. с. больше остальных времён релаксации (температурной, концентрационной и т. д.). В этом случае существует квазистатич. продолжение термодинамич. свойств равновесной системы в область M. с. При несоблюдении сформулиров. условия метастабильность и неравновесность фаз связаны более сложным образом. Напр., за-стеклованная (очень вязкая) жидкость метастабильна (при МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ фото №20 ), но её структура и свойства зависят от предыстории системы (см. Стеклообразное состояние).

С существованием M. с. связаны явления гистерезиса при фазовых переходах, напр. при циклич. пере-магничивании ферромагнетиков, в камерах Вильсона, в пузырьковых камерах. MH. технически важные материалы, в т. ч. стали, алюминиевые сплавы, являются ме-тастабильными системами.

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц E. M., Статистическая физика, ч. 1, 3 изд., M., 1976, p 21, 83, 162; Скрипов В. П., Метастабильная жидкость, M., 1972; Сивухи н Д. В., Общий курс физики, 2 изд., [т. 2], M., 1979; Френкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей, Л., 1975.

В. П. Скрипов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.

Смотреть больше слов в «Физической энциклопедии»

МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ КВАНТОВЫХ СИСТЕМ →← МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ

МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ

Смотреть что такое МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ в других словарях:

Рекомендуем посмотреть: