Теорфизика для малышей – 7: про жидкость, "необязательное" агрегатное состояние вещества

Представьте себе некий мир, который вовсе не состоит из атомов и молекул, а ну какой-то совсем другой. (Я понимаю, что эта фраза из серии "предположим, что шар? это куб", но тем не менее.) И вот, физик-теоретик из этого мира вывел "на кончике пера", что могут существовать такие интересные объекты, как атомы, которые так-то и так-то взаимодействуют друг с другом. Теперь же он пытается теоретически выяснить, что будет, если много таких атомов собрать вместе. Он понимает, что при этом возникает некая макроскопическая система, некая сплошная среда. Он уже начал свои длинные и сложные вычисления свойств этой среды, но только вот решил на минутку оторваться от формул и попытаться наглядно представить себе, как такая среда должна выглядеть.

Наш физик-теоретик решил для начала представить себе такую систему в равновесии. Тогда первое, что он понимает, это при высоких температурах и не слишком большом давлении (то есть, когда кинетическая энергия много больше потенциальной энергии межатомного взаимодействия) вещество будет находиться в состоянии разреженного газа, когда частицы летают в пространстве практически свободно, лишь изредка натыкаясь друг на друга.

Противоположный случай крайне низких температур тоже представить себе несложно. Атомы будут образовывать конденсированное вещество, по-видимому, достаточно упорядоченное. Каждый атом, обладая очень маленькой кинетической энергией, не сможет вырваться из своего окружения, а будет лишь слегка "дрожать" около положения равновесия.

Итак, наш теоретик четко представил себе две асимптотические фазы вещества, два неизбежных агрегатных состояния, само существование которых не зависит от деталей межатомного взаимодействия: твердое тело и газ. Он ожидает, что при фиксированном давлении, начиная с низкой температуры и постепенно ее повышая, он сможет пронаблюдать переход из твердого тела в газообразное состояние. (Правда, он пока не знает, будет этот переход постепенным или скачкообразным).

И вот, удовлетворившись такой картиной, наш герой проводит детальные расчеты (аналитически и методами численного моделирования), и к своему немалому удивлению обнаруживает "лишнюю термодинамическую фазу"? жидкость, нечто, что он совсем не ожидал. Он исследует разные вещества и в каждом случае обнаруживает, что при определенных температурах и давлениях вещество образует жидкую фазу.

Вернемся в наш мир. Мне кажется, что это удивление? вполне обосновано. Я вижу вполне четкие причины, почему твердое тело, в той или иной термодинамической фазе, и газообразное состояние обязаны существовать. Но я не вижу столь же универсального агрумента, приказывающего существовать жидкой фазе! В этом смысле жидкость может показаться "опциональной", необязательной фазой вещества.

Заметьте, что это "отношение" к жидкости следует и из характерного вида фазовых диаграмм. При достаточно больших давлениях твердое тело при нагревании превращается в жидкость, а потом переходит в пар. При давлении же ниже тройной точки твердое тело непосредственно переходит в газовую фазу, поскольку жидкость при таких условиях образоваться не может. Значит, вещество вполне обходится без жидкой фазы!

Может быть, это все имеет место только из-за того, что твердое тело и газ? фазы асимптотические (на плоскости давление-температура), и потому нам легко как представить их, так и судить об их существовании? Жидкость же? фаза, существующая только в ограниченных частях этой плоскости, и потому ее наличие не так легко доказать.

Или может быть, это все зависит от типа межатомного взаимодействия? Можно ли придумать такое взаимодействие, в котором существование жидкой фазы было бы столь же очевидным? Можно ли сделать так, чтобы жидкость тоже стала асимптотической фазой? Можно ли заставить критическую точку "уйти на бесконечность"?

Или наоборот, можно ли представить себе такое вещество, в котором было бы невозможно иметь жидкую фазу? Настолько ли обязательна жидкость? А может быть, можно сделать так, что и газообразная или твердая фазы окажутся невозможными? В принципе, холодный самогравитирующий газ? система, для которой описанная выше картинка (газ практически независимых частиц) не работает, так что это? не совсем газ в истинном понимании. Может, есть еще что-то?

В общем, пока что я нахожусь в состоянии легкого недоумения, и буду только рад, если кто-то поделится своим пониманием этой проблемы.

Обозрение "Теорфизика для малышей"