МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ
(от мета...
и
лат. stabilis - устойчивый) в термодинамике, состояние неустойчивого равновесия
физ. макроскопической системы, в к-ром система может находиться длительное
время. Примерами М. с. могут служить перегретая или переохлаждённая
i
жидкость
и переохлаждённый (пересыщенный) пар (см. Перегрев
и
Переохлаждение).
Жидкость,
напр, воду, тщательно очищенную от посторонних твёрдых частичек и пузырьков
газа (центров парообразования), можно нагреть до темп-ры, превышающей темп-ру
кипения при данном давлении. Если в перегретой жидкости возникнут центры
парообразования (или их введут искусственно), то жидкость взры-вообразно
перейдёт в пар - устойчивое при данной темп-ре состояние. В свою очередь
пар, в к-ром отсутствуют центры конденсации (твёрдые частицы, ионы), можно
охладить до темп-р, при к-рых устойчиво жидкое состояние, и получить переохлаждённый
(пересыщенный) пар. В природе пересыщенный водяной пар образуется, напр.,
при подъёме нагретых у поверхности земли воздушных масс и последующем их
охлаждении, вызванном адиабатич. расширением.
Возникновение М. с. объясняется теорией
термодинамич. равновесия (см. Равновесие термодинамическое). Состоянию
равновесия замкнутой системы соответствует максимум энтропии S. При
постоянном объёме V и темп-ре Т равновесию отвечает минимум
свободной энергии F (гелъмголъцевой энергии), а при постоянном давлении
р
и
темп-ре Т -минимум термодинамич. потенциала G (гиббсовой энергии).
Однако
определённым значениям внешних параметров (р, V, Т и др.) может
соответствовать неск. экстремумов (максимумов или минимумов) одной из перечисленных
выше функций (рис.). Каждому из относительных минимумов функции F или G
соответствует устойчивое по отношению к малым воздействиям или флуктуациям
состояние.
Такие состояния называют метастабильными. При небольшом отклонении от М.
с. система возвращается в это же состояние, однако по отношению к большим
отклонениям от равновесия она неустойчива и переходит в состояние с абс.
минимумом термодинамич. потенциала, к-рое устойчиво по отношению к конечным
отклонениям значений физ. параметров от равновесных. Т. о., хотя М. с.
в известных пределах устойчиво, рано или поздно система всё же переходит
в абс. устойчивое, стабильное состояние.
Ф1(x1) - абсолютный минимум функции
ф (ею могут быть потенциалы Fили G), Ф2(х2)- относительный минимум функции;
х
- переменный физический параметр (напр., объём V), другие параметры
постоянны.
Возможность реализации М. с. связана с
особенностями перехода системы из одного устойчивого состояния в другое
(с кинетикой фазовых переходов). Фазовый переход начинается с возникновения
зародышей новой фазы: пузырьков пара в случае перехода жидкости в пар,
микрокристалликов при переходе жидкости в кристаллич. состояние и т. п.
Для образования зародышей требуется совершение работы по созданию поверхностей
раздела двух фаз. Росту образовавшихся зародышей мешает значительная кривизна
их поверхности (см. Капиллярные явления), приводящая при кристаллизации
к повышенной растворимости зародышей твёрдой фазы, при к о н-денсации жидкости
- к испарению мельчайших капелек, при парообразовании - к повышенной упругости
пара внутри маленьких пузырьков. Указанные факторы могут сделать энергетически
невыгодным возникновение и рост зародышей новой фазы и задержать переход
системы из М. с. в абс. устойчивое состояние при данных условиях.
М. с. широко встречаются в природе и используются
в науке и технике. С существованием М. с. связаны, напр., явления магнитного,
электрич. и упругого гистерезиса, образование пересыщенных растворов,
закалка
стали,
производство стекла и т. д.
Лит.: Ландау Л. Д., Л и ф-шиц Е.
М., Статистическая физика, М., 1964; Ш т р а у ф Е. А., Молекулярная физика,
М.- Л., 1949; СамойловичА. Г., Термодинамика и статистическая физика, 2
изд., М., 1955: Скрипов В. П., Ме-тастабильная жидкость, М., 1972.
Г. Я. Мякишев.
А Б В Г Д Е Ё 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