Испарение – это переход из жидкой фазы в газообразную (паровую), а конденсация – это процесс перехода из паровой фазы в жидкую.
Адиабатический процесс – процесс, идущий без теплообмена с окружающей средой. Это значит, что система должна быть либо теплоизолирована, либо процесс должен протекать так быстро, что за время процесса не происходит теплообмена системы с окружающей средой.
Если адиабатически изолированная система подвергается сжатию (внешние силы совершают над системой работу, поэтому работа отрицательна), то ΔU > 0. Это означает, что адиабатическое сжатие идеального газа приводит к повышению его температуры. Напротив, адиабатическое расширение идеального газа (работа совершается самой системой, поэтому она положительна) может происходить только за счет уменьшения его внутренней энергии (ΔU < 0), поэтому температура газа при его адиабатическом расширении должна понижаться.
Уменьшение температуры пара при адиабатическом сжатии, а, следовательно, и кинетической энергии части его молекул до уровня (или ниже) потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия приводит к конденсации пара.

Рассмотрим качественно процессы происходящие при адиабатическом расширении газа в вакуумную камеру. Температура газа при этом резко понижается. Вследствие высокой скорости истечения газ становится пересыщенным. Для ясности понимания процессов наложим дополнительное требование на чистоту газа, чтобы исключить инородные центры конденсации. В такой ситуации единственным каналом конденсации является формирование зародышей – центров конденсации, появляющихся вследствие протекания процессов спонтанной конденсации. Для того, чтобы зародыш мог сохраниться и в дальнейшем развиться в структуру называемую кластером, он должен быть термодинамически устойчивым. Существует так называемый критический радиус образующегося вещества, при котором система частиц становится стабильной. Значение критического радиуса уменьшается с падением давления и температуры, поэтому вероятность образования новой фазы вещества растет. В процессе дальнейшего расширения газодинамической струи рост стабильных зародышей – кластеров – может происходить за счет нескольких механизмов. Один из механизмов сопровождается прилипанием свободных атомов к кластерам, а также испарением растущих кластеров. Очевидно, такой механизм реализуется, если большинство атомов являются свободными. Когда все атомы прилипают к кластерам, дальнейший их рост осуществляется за счет объединения сталкивающихся кластеров – процесс коагуляции. В результате процессов роста, естественным образом уменьшается концентрация кластеров в пучке, и увеличивается размер кластеров. К определенному моменту, в процессе расширения, температура струи снижается настолько (5-10К), что поперечная тепловая скорость кластеров стремится к нулю. В таком случае процессы столкновений и роста кластеров останавливаются, и говорят о бесстолкновительном режиме распространения струи.

Как можно заметить из вышеприведенной качественной теории, адиабатическое расширние газа и формирование кластеров представляют собой процесс самоорганизации вещества из сильнонеравновесного состояния. Действительно, за счет высокой скорости распространения газа внутри струи создается сильно пересыщенная – неравновесная – среда. Дальше происходит образование упорядоченной фазы вещества посредством флуктуации плотности, которые при достаточной величине запускают механизмы объединения посредством сил Ван-дер-Ваальса, результатом действия которых является образование нового объекта – кластера. Как видно, описанная теория формирования кластеров крайне слабо зависит от характеристик используемого газа. Поэтому можно сделать предположение о процессе генерации, как о неком обобщенном процессе, который развивается очень похожим образом для достаточно широкого ряда объектов. Такое предположение было экспериментально подтверждено О.Хагена. Он экспериментально исследовал и обобщил литературные материалы по процессам кластеризации большого числа различных газов, и пришел к выводу о значительном подобии процессов кластеризации. Результатом его работы стала эмпирическая теория о согласующихся пучках, в рамках которой возможно очень быстро оценить параметры образующихся кластеров, и в которой параметры образующихся кластеров характеризуются в зависимости от начальных условий – давления газа, температуры, параметров установки, – а также от типа газа.

Таким образом, мы подошли к вопросу о количественной теории формирования кластеров, говоря о которой, следует отметить отсутствие доступных и точных инструментов для определения параметров образующейся кластерной струи. Существующие решения уравнений, описывающих процессы формирования кластеров, получены асимптотическими методами и поэтому имеют узкую область применения. Необходимо подчеркнуть, что задача о кластеризации газа может быть решена методами математического моделирования. Однако методика решения появилась сравнительно недавно, достаточно сложна и ввиду этого не может быть повсеместно использована. Поэтому до сих пор большинство исследователей отдают предпочтение эмпирическому методу О.Хагена.
 

Адиабатическое расширение газов в вакуум нашло такие применения в науке как генерация молекулярных и кластерных пучков. Последние представляют особый интерес в виду ряда своих специфических свойств. Исследование кластеров за последние пару десятилетий выделилось в одно из наиболее перспективных направлений в науке и занимает седьмую позицию в классификации современных проблем В.Л.Гинзбурга.

Изучение кластеров развивается в нескольких направлениях, из которых наиболее интенсивно изучается процесс взаимодействия кластерной материи с электромагнитным полем – сверхинтенсивными фемтосекундными лазерными импульсами с целью генерации рентгеновского излучения, высокоэнергетических частиц, гармоник и т.д. Рассматриваются возможности создания компактного источника нейтронов. Изучаются процессы взаимодействия высокоэнергетических кластеров и кластерных ионов с твердой поверхностью, между собой, инициации ядерных и химических реакции.

В последние годы в отдельную область исследований выделяется изучение взаимодействия мощного лазерного излучения с кластерной плазмой, содержащей кластеры больших размеров, т.е. составленных из миллионов атомов или молекул. В частности было установлено, что эволюция больших кластеров в таких условиях сопровождается их многократной ионизацией, генерацией рентгеновского излучения и взрывом.
Существует достаточное количество экспериментального материала, отражающего необычный характер лазер-кластерного взаимодействия. Прежде всего, стоит отметить генерацию электронов с энергией порядка десятка кэВ и ионов с энергией порядка МэВ, получаемую в результате облучения кластеров лазерными импульсами. Кроме того, было обнаружено, что кластеры чрезвычайно эффективно поглощают лазерную энергию. При облучении кластеров пикосекундными лазерными импульсами наблюдалось 95% поглощение излучения. Интересны исследования кластерной плазмы в целях генерации гармоник высокого порядка, самофокусировки и канализации излучения.
Перспективными оказались результаты, полученные в процессе изучения дейтериевых кластеров, нагретых сверхинтенсивным лазерным излучением ультракороткой длительности с высокой частотой повторения импульсов. Было установлено, что в результате взрыва, на 1 Дж падающей энергии лазерного излучения, образуется 105 нейтронов согласно протекающей при этом реакции D + D – He³ + n, с характерной энергией электрона 2.45МэВ. Эти результаты позволили планировать эксперименты по реакциям термоядерного синтеза с использованием небольших мощных лазеров. Цель таких разработок – создание источника нейтронов практического назначения. Например, такие источники можно было бы использовать в материаловедении.
Возможно применение кластерной плазмы для создания лазеров ВУФ и мягкого рентгеновского диапазонов. Проведенные в работе вычисления показали возможность получения генерации на водородоподобном ионе азота с коэффициентом усиления 1000см-1. Генерация получена на Pd-подобном ионе ксенона с λ=32.8 нм с энергией 95 нДж.
Кластеры обнаружили способность к генерации рентгеновского излучения при взаимодействии со сверхинтенсивными ультракороткими лазерными импульсами. Получены зависимости выхода рентгеновского излучения от интенсивности, длительности импульса. Определен порог выхода рентгена при различных параметрах лазерного импульса. Эффективность выхода рентгена в работах составляет 10^-7.