Вещество в природе может существовать в трех состояниях (фазах): твердом, жидком и газообразном. Но в каком бы состоянии вещество не находилось, оно состоит из вечно движущихся частиц: молекул, атомов, ионов и др., связанных между собой силами взаимодействия (притяжения или отталкивания).

В твердых телах силы притяжения между частицами настолько велики, что такое тело сохраняет свою форму, и чтобы нарушить её, необходимо приложить к телу определенное усилие. В жидкостях силы притяжения между частицами существенно меньше, чем в твердых телах. Жидкость не в состоянии сохранять свою форму и поэтому принимает форму того сосуда, в котором она находится. В газообразных телах расстояния между частицами вещества оказываются настолько большими, а силы взаимодействия незначительными, что газы распространяются по всему пространству, в котором они находятся.

В определенных условиях вещество может переходить из одного физического (агрегатного) состояния в другое. Например, вода в твердом состоянии (лед) при нагревании превращается сначала в жидкость, а затем в пар.

Возможные способы перехода однокомпонентного вещества из одной фазы в другую наглядно могут быть показаны на фазовой диаграмме (рис. 1.1). Линиями AB, AC и AD площадь диаграммы разделена на 3 зоны: I – зона твердого состояния; II – зона жидкого состояния; III – зона газа (пара).

Линия 1 – 4  графически изображает процесс, в котором твердое вещество при постоянном давлении путем нагревания превращается вначале в жидкость, а затем в газ (пар). В точке 2 вещество может находиться в двух фазах одновременно: твердой и жидкой. На участке 2 – 3 – вещество находится в жидком состоянии, а на участке 3 – 4 – в состоянии перегретого пара (газа). В точке 3 оно находится в состоянии сухого насыщенного пара.

Если уменьшить давление, при котором происходят эти фазовые превращения, то линии процесса, будут перемещаться влево, и точки 2 и 3 постепенно будут сближаться и, наконец, сольются. Точка А называется тройной, в ней вещество может находиться одновременно в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Рис. 1.1. Фазовая диаграмма для однокомпонентного вещества

Если линию процесса передвинуть еще влево, то процесс преобразования вещества из твердого в газообразное изобразится, например, линией 5 – 7. Последний процесс называется возгонкой (сублимацией). По этому процессу происходит, в частности, превращение сухого льда (твердой углекислоты) в углекислый газ.

В тепловых двигателях теплота преобразуется в работу. Для такого преобразования используют теплоносители, называемые рабочими телами.

На практике в качестве рабочих тел используют газ и пар, которые при изменении температуры и давления могут значительно изменять свой удельный объем и при этом совершать большую работу, чем жидкие и твердые тела.