Sólyom Jenő

Az alacsony hőmérsékletek titkai

I. Bevezetés

A mostani télen bőven találkoztunk alacsony hőmérséklettel. A mi viszonyaink mellett a -20 ^oC-os külső hőmérséklet nagyon alacsonynak, a +40°C nagyon magasnak tűnik.

1. ábra

Maga a szerves élet is csak viszonylag keskeny hőmérséklet-tartományban lehetséges. Pedig a természetben ennél sokkal hidegebb és melegebb is előfordul. Mindennapi tapasztalataink inkább a melegebb hőmérsékletekről vannak. Tudjuk, hogy ha egy szilárd testet fokozatosan melegítünk, egy bizonyos hőmérsékleten megolvad, majd további melegítéssel a forrásponton gőzzé válik. Ha az anyagnak ezt a három halmazállapotát, fázisát, a szilárd, a folyékony és a gőzszerű állapotot nem légköri nyomáson, hanem a külső nyomást is változtatva vizsgáljuk a hőmérséklet függvényében, egy jellegzetes fázisdiagramhoz jutunk.

Animáció: Szilárd-folyadék-gáz fázisdiagram (swf)

Állandó nyomás mellett a hőmérsékletet növelve az anyagtól függő, de jól meghatározott hőmérsékleten következik be a fázisok közötti átalakulás. Ugyanígy ha a hőmérsékletet állandónak tartjuk, de a nyomást növeljük, a gőz hirtelen lecsapódik, majd a folyékony halmazállapotú anyag még nagyobb nyomás alatt megszilárdul. Vegyük észre, hogy lehet ez alól kivétel! Nagy nyomáson és magas hőmérsékleten egy szemmel láthatóan gőzszerű fázisból úgy is átmehetünk a folyékony állapotba, hogy közben semmiféle hirtelen változás nem történik. Ehhez a fázisdiagramon meg kell kerülni a kritikus pontot.

Animáció: Folyadék-gáz átalakulás (swf)

A szilárd állapot kialakulásánál ugyanez nem fordulhatna elő. Ez azért van, mert a bemutatott fázisdiagram kristályos szilárd testekre vonatkozik, melyek esetén a kristályos rendet mindig meg tudjuk különböztetni a rendezetlen folyadéktól.

2. ábra

3. ábra

Az anyagok további lehetséges állapotait ismerhetjük meg, ha vizsgálatainkat kiterjesztjük a teljes hőmérséklet-tartományra. A különböző állapotok közötti átalakulás olykor egy széles hőmérséklet-tartományban történik meg, más esetekben egy jól meghatározott hőmérsékleten bekövetkező fázisátalakulással van dolgunk. Ilyen éles átalakulás a szilárd testek megolvadása vagy a folyadékok megszilárdulása, de a forrás is, ha a kritikus pontnál alacsonyabb hőmérsékleten és nyomáson következik be. Mindig ilyen jól meghatározott pontban bekövetkező fázisátalakulással találkozunk, ha a két fázist valamilyen szimmetria, valamilyen rend megléte vagy hiánya különbözteti meg. Ez lehet szemmel látható szimmetria, mint például egy szépen növesztett kristály külső alakján is megfigyelhető tükörsík, szemben az olvadék rendezetlen állapotával, de lehet a spinek szabályos beállásából adódó szimmetria vagy még ennél is kevésbé szemléletes rend.