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水在临界点发生了什么?

佚名 数学语文吧 2021-06-24
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其实在理论物理学家眼中, 气液两相是没有本质区别的. 

  • 表面上看, 它们都是流体, 其动力学性质都可以用流体力学的方程来描述.

  • 实际操作看, 液相和气相之间可以连续转变. 比如如下图蓝色所示的路径: 

  • 更深入地看, 气液两相具有相同的对称性, 在相变的过程中没有发生对称性破缺. 

因此, 气液两相的定义, 更多地是为了日常生活时使用的方便. 气液两相的区别, 主要是力学性质(密度, 压缩系数, 粘滞系数等)的区别. 这个区别在温度低于临界温度时是不连续的, 所以会发生水的沸腾这样不连续的相变, 也叫一级相变. 随着温度升高, 气液两相的区别越来越小, 直到临界温度时区别完全消失. 因此临界点处是发生的改变是连续的, 被称为连续相变, 也叫二级相变. 在这里, 与其说出现了新的相, 不如说气液两相融合成了一相, 不妨称之为"流体相". (事实上根据最开始的论述, 气液两相本来就是一相. )

在临界点附近, 气液两相的区别消失, 带来的直接可观测的现象就是所谓"临界乳光". 在临界点往上一点就是液相, 往下一点就是气相. 在足够小的尺度下看, 因为热运动的存在, 系统总不是完全均匀的, 某一时刻有些地方温度高, 有些地方温度低, 这就是所谓热涨落. 因此粗略地说, 在临界点处, 由于热涨落的存在, 气相和液相在不断地产生和消灭, 达到动态的平衡. 由于大量的液滴的存在, 改变了系统的光学性质(比如在晴天和在雾天的视觉效果显然是不同的), 造成了临界乳光的现象.

至于临界点右上角的所谓"超临界流体", 只是说此时的流体相具有一些新奇的物理性质(在另一个回答中已有简单介绍). Wikipedia 上的这张图是错误的(或者说至少是带有误导性的): 

因为这里并没有新的相产生. 两条直的黑色虚线也绝不是相边界. 

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固液相变可以用朗道的对称破缺理论来理解,固体破缺了空间平移对称性;但是气液相变显然不属于对称破缺。

其实从更基本的角度可以囊括固液相变和气液相变,就是遍历性破缺。

对称破缺从遍历破缺来看,就是本来可以占据的相空间的区域减少了。高对称相(液体)原子可以占据空间的位置任意,遍历整个液体内部空间,所以有空间平移对称性;低对称相(固体)原子只能在特定的晶格位置附近振动,空间遍历性破缺了,丧失了空间平移对称性。

而气液相变,显然发生了遍历性破缺。气体可以占据空间任意位置,而液体有界面,空间的遍历性破缺了。

END


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