Анализ фазовых превращений вещества

С философской точки зрения всё то, из чего состоит Мир, называется материей, а под веществом понимается форма существования материи, отра­жающая её дискретность, прерывность, корпускулярность. Исторически сло­жилось так, что в естествознании под веществом понимали систему, состоя­щую из элементов, которые были названы атомами. Атом - простое тело, не­разложимое химическим путём на ещё более простые. Долгое время атомы считались неделимыми или элементарными первокирпичиками материи. В результате такого подхода Д.И. Менделеев создал периодическую систему элементов вещества.

Вещество, понимаемое и далее как совокупность атомов, характеризу­ется определёнными физическими свойствами, например, агрегатным состоя­нием, температурой плавления, температурой кипения. Вещество может на­ходиться в трёх агрегатных состояниях: газообразном, жидком, твёрдом. В газообразном состоянии связи между элементами вещества состоят в оттал­кивании их друг от друга, и газ не сохраняет ни объём, ни форму, а равно­мерно заполняет любой сосуд. В жидком агрегатном состоянии силы оттал­кивания и притяжения между элементами вещества уравновешивают друг друга, поэтому жидкость обладает текучестью и сохраняет свой объём, но не сохраняет форму. В твёрдом агрегатном состоянии элементы вещества при­тягиваются друг к другу, и тело сохраняет как объём, так и форму. Если газ представляет собой совокупность практически самостоятельных элементов, то в конце цепочки превращений вещества все его элементы жёстко связаны в один объект - твёрдое физическое тело.

Если сопоставить перечисленные выше свойства различных фазовых состояний вещества с математическими символами, то очевидно, что оттал­кивание в газах есть полная противоположность притяжению в твёрдых те­лах и, соответственно, этим фазовым состояниям могут быть присвоены ус­ловные обозначения в виде противоположных символов (-1) и (+1). Тогда жидкое состояние ве­щества, которое соединяет в себе и то и другое, и поэтому не является ни тем, ни другим, может быть сопоставлено с математическим символом 0, полученным как результат сложения первых двух:  (-1) + (1)=0. При этом три различных фазовых состояния вещества могут быть изображены на числовой оси тремя точками, принадлежащими соответственным числовым значениям (см. рис. 6).

Рассмотрим в качестве конкретного примера процесс превращения пара в воду, а за­тем воды в лёд, представленный в виде графика на рис.7. График построен в системе коор­динат, на вертикальной оси  которой мы будем откладывать температу­ру внутри прозрачного сосуда с испытываемым веществом, а на горизонтальной оси ус­ловно отметим точками     (-1), 0, (+1) три различных агрегатных состояния, в которых может находиться вещество. Обычно системы координат имеют точку 0 на пересечении координатных осей, параметры которых в направлении стрелок увеличиваются, но принятое нами расположении точек на осях графика делает его более наглядным, хотя при этом мы сознательно не пересекаем координатные оси друг с другом.

График превращений вещества на рис.7 показывает, что данное ве­щество (Н₂О), охлаждаясь до температуры +100°С, устой­чиво сохра­няет качественное состояние в виде пара. На графике этому состоянию соответствует вертикальный отрезок 1-2. При температуре +100°С начинается и заканчивается процесс конденсации, то есть процесс превращения пара в воду, происходящий при постоянной температуре вещества (горизонтальный отрезок 2-3). Далее вода охлаждается от +100°С до 0°С, оставаясь при этом водой (отрезок 3-4). При 0°С начина­ется и заканчивается процесс кристаллизации льда, то есть процесс превра­щения воды в лёд, тоже происходящий при постоянной температуре ве­щества (отрезок 4-5). В дальнейшем происходит охлаждение льда до абсо­лютного нуля           «-273°С» (отрезок 5-6). Значения температур, при которых про­исходит кристаллизация и конденсация вещества, в физике называются кри­тическими точками, а в философии - точками границы меры. Теперь, давайте посмотрим, что интересного можно отметить в этом графике, представляю­щем собой ступенчатую линию.

Во-первых, с точки зрения философии вертикальная ось температур показывает постепенные (ко­личественные) изменения вещества, а горизонтальная ось агрегатных состоя­ний - скачкообразные (качественные). При этом получается, что если коли­чественному изменению объекта (отрезок 3-4) между критическими точками на оси тем­ператур соответствует постоянное качественное состояние (облик) объекта (точка 0), то изменению качественного состояния объекта (линия 2-3) тоже соответствует постоян­ное значение количественного параметра (+100°С). Это показывает, что деление изменений на качественные (скачкообразные) и количественные (плавные) является чисто условным и что они происходят одинаково относительно друг друга.

Во-вторых, пользуясь терминами философии, можно сказать, что ось температур представляет собой узловую линию мер с мерами: пар, вода, лёд, и границами мер в точках +100°С и 0°С (критические точки). Ниже крити­ческой точки на графике вещество находится в одном качественном состоя­нии, а выше - в другом. Если мыс­ленно равномерно двигаться по шкале температуры, то при прохождении критической точки агрегатное состояние вещества действительно изменяется скачкообразно, перескакивая с отрезка 1-2 на отрезок 3-4. В действительности же, такого мгновенного скачка не происходит. Наоборот, на критической точке происходит остановка в изменении температуры до тех пор, пока всё вещество не превратится в новое агрегатное состояние, то есть до тех пор, пока вещество не пройдёт отрезок 2-3 или 4-5. И если бы внешний наблюдатель не знал заранее форму графика и не видел вещество через прозрачные стенки испытательного сосуда, а судил бы о его состоянии только по показаниям термометра, то наблюдатель, скорее всего, сделал бы из показаний термометра выводы, совершенно противоположные действительности. Он полагал бы, что если показания термометра изменя­ются, то и само вещество тоже изменяется, а если показания термометра ос­танавливаются (при +100°С и при 0°С), то и вещество перестаёт изменяться, хотя фактически именно в этих критических точках происходит превраще­ние пара в воду, а воды в лёд.

Отсюда можно сделать очень важный вывод, что внешний наблюдатель не может заметить процесс превращения объекта из одного качествен­ного состояния в другое, так как изменение объекта при этом не регист­рируется измерительным прибором.  Объект в момент превращения не воздействует или не изменяет своего воздействия на внешнюю среду. Именно этот пробел в информации и создает впечатление скачкообразного изменения объ­екта по отношению к внешнему наблюдателю. Фактически же, в этом «зазоре» между двумя качественными состояниями вещества на участках 2-3 и 4-5 происходит его внутренняя перестройка - конденсация и кристаллизация. Процессы перест­ройки происходят практически одинаково. В обоих случаях во всём объёме вещества возникают мельчайшие частицы - зародыши следующего агрегатно­го состояния. Затем эти зародыши растут, сливаются вместе и занимают весь объём вещества, которое после этого снова начинает проявлять себя, так как термометр начинает показывать внешнему наблюдателю изменение темпера­туры. Таким образом, в критических точках оси температур, то есть в «зазо­ре» между двумя внешними проявлениями объекта (двумя качествен­ными состояниями вещества), происходит незаметный для внешнего наблюдателя процесс его внутренней перестройки, заключающийся в развитии внутреннего зародыша нового облика объекта. Поэтому сама критическая точка не даёт определенного ответа о том, в каком именно агрегатном состоянии находится вещество в данный момент.

Если же убрать из графика на pис.7 зоны неопределённости, а именно: отрезки 2-3, 4-5 и критические точки 0°С и +100°С, то мы получим график, изображенный на рис.8. Об­разно говоря, этот график показывает три агре­гатных состояния вещества, как три скачкообразных следа взаимодействия вещества с внеш­ней средой (с миром внешнего наблюдателя), разделенных процессами внутренних пе­рестроек. Получается, что с точки зрения внешнего наблюдателя процесс развития вещества, действительно, можно считать скачкообразным.

Для внесения определенности в скрытые процессы внутренней перестройки необходимо ввести ещё одну ось координат, перпендикулярную к первым двум. Так как в процессе прев­ращения вещество существует одновре­менно в двух агрегатных состояниях, то на третьей оси координат мы будем отк­ладывать отношение количества нового агрегатного состояния вещества к об­щему количеству вещества внутри со­суда при проведении измерений. Тогда число 0 (0%) будет соответствовать на­чалу зарождения нового агрегатного состояния вещества, а число 1 (100%) - полному переходу вещества в новое агрегатное состояние. Поскольку на рис.8 в одной плоскости изображены аг­регатные состояния, охватывающие всё вещество, то мы будем считать, что им на новой координатной оси соответствует число 100%. Поэтому, с целью удобства, будем считать, что для новой оси координат в начале координат на­ходится число 100%. Тогда возникновение зародышей нового качественного состояния и их рост будет изображаться отрезками 2″-3 и 4″-5 в горизон­тальных плоскостях, проходящих через критические точки оси температур (см. рис.9).

На рис.9 наглядно видно, что в момент прохождения остывающим ве­ществом критической точки на оси температур, то есть в момент качественного скачка, внутри объекта (в точках 2'' и 4'')  появляется зародыш нового агрегатного состояния, который развива­ется за счет поглощения вещества, находящегося в старом агрегатном состо­янии. Чем дальше мы продвигаемся, например, от точки 4 к точке 5, тем большая часть вещества превращается в новое агрегатное состояние.

Если график на рис.9, отражающий внешние проявления объекта и внутренние процессы его перестройки, спроецировать на горизонтальную плоскость, то мы полу­чим «сумму» процессов, происходящих внутри объекта при его превра­щениях (см. рис.10). При этом от­резки 1-2, 3-4, 5-6  прев­ратились на рис.10 в свою проекцию на плос­кость в виде точек П, В, Л, обозначающих агрегатные состояния: пар, вода, лёд. Таким образом, если внутренние процессы пе­рестройки проецировались на ось температур в критические точки, то, в свою очередь, периоды внешнего проявления вещества проецируются в точку на плоскость внутреннего наблюдателя, то есть та­кого наблюдателя, кото­рый мог бы находиться внутри испытательного сосуда с ве ществом и наблюдать рост зародышей.

Образно говоря, график на рис.10 показывает два процесса внутренней перестройки вещества, как два следа взаимодействия вещества с миром внут­реннего наблюдателя, находящегося внутри сосуда.

Тогда вся «жизнь» или всё развитие вещества, как объекта приро­ды, может быть представлено в виде последовательного чередования периодов его внешнего проявления и внутренних перестроек: пар - (кон­денсация) – вода - (кристаллизация) - лёд. Исходя из этого, уже можно сказать, что, фактически, на рис.9 мы построили график превращения вещества не в осях, отражающих, как это было принято ранее, количественные и качественные измене­ния объекта, а в осях, отражающих взаимодействие объекта с внешним и внутренним наблюдателем или с внешней и внутренней средой. На этом мы можем пока закончить анализ процесса фазовых превращений вещества. Этот процесс общеизвестен и нам потребовалось только лишь представить его в виде наглядного графика, чтобы подчеркнуть интересующие нас моменты.

Далее мы убедимся, что полученный график отражает истинную зако­номерность развития, поскольку он точно описывает процессы развития и тех объектов природы, которые Ф. Энгельс брал в качестве доказательства проявления спиралевидного закона «Отрицания отрицания» в Природе.