Критическая температура характеризует переход газообразного состояния в жидкое, и именно тот момент, когда исчезает видимое различие между жидкостью и паром. Выше критической температуры газ не может быть никаким давлением обращен в жидкость.

Рис. 1. Изотермы системы жидкость—газ, характерные для реальных веществ, при T1 < T2 < T3 < Tкр < T4

Графики зависимости от температуры плотностей насыщенного пара и жидкости пересекаются при критической температуре.

Рис. 2. Графики зависимости от температуры плотностей насыщенного пара и жидкости

Так как в критической точке вещество представляет собой смесь постоянно флуктуирующих зародышей обеих фаз, то в случае наблюдения прозрачного вещества при его прохождении через критическую точку, оно становится мутным. Это позволяет применять оптические методы для исследования свойств веществ в критической точке.

Если переход осуществляется через кривую испарения, то можно наблюдать движение границы раздела жидкость — газ. Будет происходить изменение количества вещества в каждой фазе, при этом свойства фаз остаются неизменными (в случае изотермического перехода).

Непрерывный переход из жидкой фазы в газообразную (или наоборот) возможен потому, что между этими фазами нет принципиальной разницы. Они отличаются только подвижностью молекул. И в жидкости, и в газах молекулы могут совершать хаотическое поступательное движение.

На диаграмме состояния кривая испарения 2 заканчивается критической точкой (К), в которой исчезают отличия жидкой и газообразной фаз. Если фазовый переход осуществляется в обход критической точки, как показано пунктирной линией на рисунке, то пересечения кривой испарения не происходит и фазовое превращение проходит путем непрерывных изменений без образования границы раздела фаз.

Рис. 3. Диаграмма состояния. 1 — кривая плавления, 2 — кривая испарения, 3 — кривая возгонки

Каждое вещество характеризуется своей критической температурой.

Существуют области метастабильных состояний при фазовом переходе жидкость—газ. Выше линии 2 находится область, соответствующая переохлажденному пару, а ниже — перегретой жидкости. Вещество в указанных метастабильных состояниях используется в таких физических приборах как камера Вильсона и пузырьковая камера, которые используются в ядерной физике.

Рис. 4. Диаграмма метастабильных состояний при фазовом переходе жидкость—газ. 1 — кривая плавления, 2 — кривая испарения, 3 — кривая возгонки

Если изобразить изотермы двухфазной системы жидкость—газ, то горизонтальная часть изотерм будет соответствовать фазовому переходу вещества, справа от горизонтальной части лежат изотермы газовой фазы, а слева — жидкой. Пунктирные линии соответствуют метастабильным состояниям. Справа — переохлажденный пар, слева — перегретая жидкость. Эти состояния будут возникать в том случае, если зародыши другой фазы (капли и пузырьки соответственно) отсутствуют или у них имеется тенденция к исчезновению. Так как образованию зародышей способствуют всякого рода примеси и неоднородности, то метастабильные состояния свойственны хорошо очищенным веществам.

Рис. 5. Изотермы двухфазной системы жидкость—газ

Так как давление переохлажденного пара превышает давление насыщенного пара при той же температуре, то такой пар называется пересыщенным.

Английский физик Чарльз Томсон Рис Вильсон (1869—1959) экспериментально показал, что при определенных условиях образование тумана может эффективно происходить на заряженных ионах. На поверхность заряженной капли действуют электростатические силы, изменяющие давление паров вблизи капли, что приводит к изменению условий конденсации. Это обстоятельство позволило Вильсону в 1912 году разработать очень остроумный метод детектирования заряженных частиц ядерного излучения, реализованный в приборе, названном камерой Вильсона.

В этом приборе пересыщенный пар, как правило, состоящий из смеси воды, спиртов и инертных газов, создается адиабатическим расширением с помощью поршня в сосуде с прозрачными стенками. При попадании частицы ионизирующего излучения в сосуд вдоль ее траектории возникает след из ионов, на которых происходит конденсация жидкости и образуется видимый трек, состоящий из капель жидкости. Таким образом, энергия, запасенная в метастабильном состоянии, используется для визуализации ядерных излучений. Зарегистрировать след частицы и его форму можно с помощью фотографирования следа.

Принципиальная схема камеры Вильсона изображена на рисунке. В изолированном рабочем объеме 1 находятся пары воды и спирта в близком к насыщению состоянии. Резкое движение диафрагмы 6, которую тянет поршень 4, приводит к быстрому адиабатическому расширению этих паров в объеме 1. При этом пар становится пересыщенным. При прохождении частиц через объем 1 на их траекториях возникают треки из тумана, которые могут быть сфотографированы. После этого камера Вильсона возвращается в исходное состояние, то есть процесс ее работы является циклическим. Количество циклов достигает обычно от 1 до 6 в минуту

Рис. 6. Камера Вильсона