ნებისმიერ ნივთიერებას გარკვეულ პირობებში შეუძლია იმყოფებოდეს სხვადასხვა აგრეგატულ მდგომარეობაში - მყარ, თხევად ან აირად. ერთი მდგომარეობიდან მეორეში გადასვლას ფაზურ გადასვლას უწოდებენ. აორთქლება და კონდენსაცია ფაზური გადასვლის მაგალითებს წარმოადგენენ.
ყველა რეალურ აირს (ჟანგბადი, აზოტი, წყალბადი და სხვა) გარკვეულ პირობებში შეუძლია სითხედ გადაქცევა. მაგრამ ეს გადაქცევა შეიძლება ხდებოდეს მხოლოდ გარკვეული, ე.წ. კრიტიკულ Tkr ტემპერატურაზე დაბალ ტემპერატურაზე. მაგალითად, წყლისათვის კრიტიკული ტემპერატურა ტოლია 647,3 K, აზოტისათვის -126 K, ჟანგბადისათვის- 154,3 K. ოთახის ტემპერატურაზე (≈ 300 K) წყალი შიუძლება იყოს თხევად და აირად მდგომარეობაში, აზოტი და ჟანგბადი კი მხოლოდ აირადი სახით.
აორთქლება ეწოდება თხევადი მდგომარეობიდან აირად მდგომარეობაში ფაზურ გადასვლას. მოლეკულურ-კინეტიკური თეორიის თვალსაზრისით, აორთქლება არის პროცესი, რომლის დროსაც სითხის ზედაპირიდან ამოფრიმდება განსაკუთრებით დიდი სიჩქარის მქონე მოლეკულები, რომელთა კინეტიკური ენერგია მეტია მათი სხვა მოლეკულებთან კავშირის ენერგიაზე. ეს იწვევს დარჩენილი მოლეკულების საშუალო კინეტუკური ენერგიის შემცირებას, ე.ი. სითხის გაციებას (თუ არ არსებობს გარემომცველი სხეულებიდან სითბოს გადაცემა).
კონდესაცია - აორთქლების შებრუნებული პრიცესია. კონდენსაციისას ორთქლის მოლეკულები სითხეში ბრუნდებიან.
დახუფულ ჭურჭელში სითხე და მისი ორთქლი შეიძლება იმყოფებოდნენ დინამიკური წონასწორობის მდგომარეობაში, როცა სითხიდან ამოფრენილი მოლეკულების რაოდენობა ტოლია ორთქლიდან სითხეში დაბრუნებული მოლეკულების რაოდენობისა, ე.ი. როცა აორთქლების და კინდენსაციის პროცესების სიჩქარეები ერთნაირია. ასეთ სისტემას ორფაზიანსუწოდებენ. სითხესთან წონასწორობაში მყოფ ორთქლს გაჯერებულს უწოდებენ.
სითხის ზედაპირის ფართობის ერთეულიდან ერთ წამში ამოფრენილი მოლეკულების რიცხვი სითხის ტემპერაურაზეა დამოკიდებული. ორთქლიდან სითხეში დაბრუნებული მოლეკულების რიცხვი დამოკიდებულია ორთლის მოლეკულების კონცენტრაციაზე და მათი სითბური მოძრაობის საშუალო სიჩქარეზე, რაც ორთქლის ტემპერატურით განისაზღვრება. აქდან გამოდის, რომ მოცემული ნივთიერებისთვის სითხისა და მისი ორთქლის წონასწორობისას, ორთქლის მოლეკულების კონცენტრაცია განისაზღვრება მათი წონასწორობის ტემპერატურით. ტემპერატურის გაზრდისას აორთქლებისა და კონდენსაციის პროცესებს შორის დინამიკური წონასწორობის დამყარება ორთქლის მოლეკულების უფრო მაღალი კონცენტრაციის დროს ხდება. რადგანაც აირის (ორთქლის) წნევა მისი კონცენტრაციითა და ტემპერატურით განისაზღვრება, შეიძლება დავასკვნათ: მოცემული ნივთიერების გაჯერებული ორთქლის წნევა p0 დამოკიდებულია მხოლოს მის კონცენტრაციაზე და არა არის დამოკიდებული მოცულობაზე. ამიტომ რეალური აირების იზოთერმებს (\(p\), \(V\)) სიბრტყეზე გააჩნიათ ჰორიზონტული მონაკვეთები, რომლებიც ორფაზიან სისტემებს შეესაბამება (ნახ. 1).
ნახ. 1.
რეალური აირი იზოთერმები. I არე – სითხე, II არე – ორფაზა სისტემა «სითხე+გაჯერებული ორთქლი», III არე – ნივთიერება აირადი სახით. K – კრიტიკული წერტილი.
ტემპერატურის გაზრდისას გაჯერებული ორთქლის წნევა და სიმკვრივე იზრდება, ხოლო სითხის სიმკვრივე სითფური გაფარფოების ხარჯზე კლებულობს. მოცემული ნივთიერების კრიტიკული Tkr ტემპერატურისას სითხისა და აირის სიმკვრივეები თანაბრდება. როცა T > Tkr, სითხისა და მის გაჯერებულ ორთქლს შორის ფიზიკური განსხვავება ქრება.
თუ გაუჯერებელ ორთქლს იზოთერმულად შევკუმშავთ, როცა T < Tkr, მისი წნევა გაიზრდება სანამ გაჯერებული ორთქლის წნევის ტოლი არ გახდება. მოცულობის შემდგომი შემცირებისას, ჭურჭლის ფსკერზე წარმოიქმნება სითხე და დამყარდება დინამიკური წონასწორობა სითხესა და მის ორთქლს შორის. მოცულობის კიდევ უფრო შემცირებით ორთქლის დიდი ნაწილი კონდენსირდება, მისი წნევა კი დარჩება უცვლელი (იზოთერმის ჰორიზონტული უბანი). როცა ორთქლი მთლიანად სითხედ გადაიქცევა, მოცულობის შემდგომი შემცირებისას წნევა მკვეთრად მოიმატებს, სითხის ცუდად კუმშვადიბის გამო.
აირადი მდგომარეიბიდამ თხევადში გადასვლა ორფაზა უბნის გავლის გარეშეცაა შესაძლებელი. ამისათვის პროცესი უნდა მიმდინარეობდეს კრიტიკული K წერტილის გვერდის ავლით. ერთი ასეთი შესაძლო პროცესი ნახ. 1-ზეა მოცემული \(ABC\) ტეხილის სახით.
გაჯერებული ორთქლის წნევა \(p_{0}\) ტემპერატურის \(T\) ზრდით ძალიან სწრაფად იზრდება. \(p_{0}(T)\) დამოკიდებულების მიღება იდეალური აირის კანონებიდან შეიძლება. მოლეკულების მუდმივი კონცენტრაციის პირობებში აირის წნევა ტემპერატურის პირდაპირპროპორციულია. გაჯერებულ ორთქლში ტემპერატურის გაზრდისას იზრდება არა მხოლოდ მოლეკულების საშუალო კინეტიკური ენერგია, არამედ მათი კონცენტრაციაც. ამიტომ გაჯერაბული ორთქლის წნევა ტემპერატურის გაზრდისას უფრო სწრაფად იზრდება, ვიდრე იდეალური აირის წნევა მოლეკულების მუდმივი კონცენტრაციისას.
აორთქლება შეიძლება ხდებოდეს არა მხოლოს ზედაპირიდან, არამედ სითხის მოცულობაშიც. სითხეში ყოველთვის იმყოფება აირის მცირე ბუშტუკები. თუ გაჯერებული ორთქლის წნევა ტოლია ან მეტია გარემომცველი წნევისა (ე.ი. აირის ბუშტუკებში წნევის), სითხე აორთქლდება ბუშტუკეის შიგნით. ორთქლით ავსებული ბუშტუკები ფართოვდება და ზევით ამოტივტივდება. ამ პროცესს დუღილი ეწოდება.
ამგვარად, სითხის დუღილი იწყება ისეთი ტემპერატურის დროს, როდესაც გაჯერებული ორთქლის წნევა გარემოს წნევის ტოლი ხდება.
კერძოდ, ნორმალური ატმოსფერული წნევისას წყალი დუღს 100 °С ტემპერატურაზე. ეს ნიშნავს, რომ ასეთ ტემპერატურაზე გაჯერებული ორთქლის წნევა 1 ატმ-ს ტოლია. მთაში ასვლისას ატმოსფერული წნევა კლებულობს და ამიტოს წყლის დუღილის ტემპერატურაც კლებულობს (დაახლოებით 1 °С -ით ყოველი 300 მ-ით ასვლისას). 7კმ სიმაღლეზე წნევა დაახლოებით 0,4 ატმოსფეროა, და დუღილის ტემპერატურა მცირდება 70 °С-მდე.
ჰერმეტულად დახუფულ ჭურჭელში სითხეს დუღილი არ შეუძლია, რადგან ტემპერატურის ნებისმიერი მნიშვნელობისათვის მყარდება წონასწორობა სითხესა და მის გაჯერებულ ორთქლს შორის. \(p_{0}(T)\) წონასწორობის მრუდის საშუალებით შესაძლებელია დუღილის ტემპერატურის დადგენა სხვადსხვა წნევის შემთხვევაში.
ნახ. 1 -ზე გამოსახული რეალური აირის იზოთერმები აორთქლებისა და კონდენსაციის პროცესებს აღწერენ, ე.ი. ნივთიერების აირად და თხევად ფაზებს შორის ფაზურ გადასვლებს. სინამდვილეში ეს სურათი არასულია, რადგან აირადი და თხევადი მდგომარეობიდან ნებისმიერი ნივთიერება შეიძლება გადავიდეს მყარ მდგომარეობაში. მოცემული \(T\)ტემპერატურისას ერთიდაიგივე ნივთიერების ორ ფაზას შორის თერმოდინამიკური წონასწორობა შესაძლებელია მხოლოდ სისტემაში წნევის გარკვეული მნიშვნელობისთვის. წონასწორობის წნევის ტემპერატურაზე დამოკიდებულებას ფაზური წონასწორობის მრუდი ეწოდება. მაგალითად გამოდგება \(p_{0}(T)\) გაჯერებული ორთქლის და სითხის წონასწორობის მრუდი. თუ სხვადასხვა ფაზას შორის წონასწორობის მრუდებს ავაგებთ \((p,T)\) სიბრტყეზე, მაშინ ისინი ამ სიბრტყეს ყოფენ ცალკეულ არეებად, რომლებშიც ნივთიერება იმყოფება ერთგავაროვან აგრეგატულ მდგომარეობაში - მყარ, თხევად ან აირად (ნახ. 2.). \((p,T)\) სიბრტყეზე გამოსახულ წონასწორობის მრუდებს ფაზურ დიაგრამებს უწოდებენ.
ნახ. 2.
ტიპური ფაზური დიაგრამა. \(K\) – კრიტიკული წერტილი, \(T\) – სამმაგი წერტილი. I არე – მყარი სხეული, II არე – სითხე, III არე – აირი.
\(OT\) მრუდი მყარ და აირად ფაზებს შორის წონასწორობას შეესაბამება და სუბლიმაციის მრუდი ეწოდება. \(TK\) მრუდი წონასწორობაა სითხესა და ორთქლს შოროს და აორთქლების მრუდი ეწოდება. იგი კრიტიკულ \(K\) წერტილში წყდება. \(TM\) მრუდი შეესამაბება მყარ სხეულსა და თხევადს შორის წონასწორობას და დნობის მრუდი ეწოდება.
წონასწორობის მრუდები \(T\) წერტილში იყრიან თავს, სადაც სამივე ფაზა წონასწორობაში შეიძლება თანამყოფობდეს. ამ წერტილს სამმაგი წერტილიეწოდება.
მრავალი ნივთიერებისათვის pтр სამმაგ წერტილში 1 ატმ ≈ 105 პა-ზე ნაკლებია. ასეთი ნივთიერებები ატმოსფერულ წნევაზე გაცხელებისას დნებიან. მაგალითად, წყლის სამმაგი წერტილის კოორდინატებია Tтр = 273,16 К, pтр = 6,02·102 პა და გამოიყენება საყრდენ წერტილად კელვინის აბსოლუტური ტემპერატურული შკალის კალიბრირებისათვის (დაყალიბებისათვის). მაგრამ არსებობენ ისეთი ნივთიერებებიც, რომელთა pтр 1 ატმ-ზე მეტია. მაგალითად ნახშირორჟანგისათვის (CO2) წნევა pтр = 5,11 ატმ-ია და ტემპერატურა კი Tтр = 216,5 К. ამიტომ ატმოსფერულ წნევაზე ნახშირორჟანგი შეიძლება არსებობდეს მხოლოა დაბალ ტემპერატურაზე, თხევადში p = 1 ატმ იგი საერთოდ არ არსებობს. ატმოსფერულ წნევაზე მყარ მდგომარეობაში თავის ორთქლთან წონასწორობაში ნახშირორჟანგი იმყოფება 173 К ან –80 °С ტემპერატურაზე. ეს არის ფართო გამოყენებაში მყოფი „მშრალი ყინული“ რომელიც არასოდეს დნება, მხოლოდ ორთქლდება (სუბლიმირდება).