A fizika , a fázisátalakulás utal, hogy a fizikai átalakulás a rendszer az egyik fázist (vagy állapotban) egy másik, által indukált változása egy külső vezérlő paraméter ( hőmérséklet , mágneses mező, stb).
Ilyen átmenet akkor következik be, amikor ez a külső paraméter eléri a küszöbértéket (vagy a "kritikus" értéket). Az átalakítás általában a rendszer szimmetriai tulajdonságainak változását tükrözi.
Néhány példa :
A fázisátalakulások akkor következnek be, amikor a rendszer G szabad entalpija (más néven Gibbs-szabad energia) nem bizonyos termodinamikai változók analitikai funkciója (pl. Nem folytonos vagy levezethetetlen ). Ez az analiticitás abból a tényből fakad, hogy rendkívül sok részecske lép kölcsönhatásba; ez nem jelenik meg, ha a rendszerek túl kicsiek.
A leggyakoribb fázisátalakulások (vagy a fizikai állapot változásai ) három anyagállapotot érintenek, a szilárd állapotot , a folyékony állapotot és a gáz állapotot :
A termodinamikában az egyes átmenetekhez sajátos kifejezést rendelnek. Például :
Vannak is fázisátalakulások szilárd szilárd (cseréje egy polimorf másik), mint például az átalakulás a gyémánt be a grafit ( rekonstruktív átmenet ), vagy, hogy az α kvarc be β kvarc ( displacive átmenet ).
Paul Ehrenfest volt az első, aki megkísérelte osztályozni a fázisátmeneteket, a nem analitikai fok alapján. Noha hasznos, ez a besorolás csak empirikus, és nem képviseli az átmeneti mechanizmusok valóságát.
Ez a besorolás alapján a tanulmány folytonosságának származékok n e szabad energia:
Az Ehrenfest-osztályozást azért hagyták el, mert nem biztosította a szabad energia származékának divergenciájának - és nem csak a folytonosságának - lehetőségét. Számos modell azonban a termodinamikai határokon belül előírja az ilyen eltérést. Tehát például a ferromágneses átmenetet a hőteljesítmény divergenciája jellemzi (a szabad energia második származéka).
A jelenleg alkalmazott osztályozás különbséget tesz az első és a második rendű átmenet között, de a meghatározás más.
Az első rendű átmenetek azok, amelyek fázisátmeneti entalpiát (vagy entalpia állapotváltozást , de néha látens hőnek neveznek ) járnak . Ezen átmenetek során a rendszer rögzített (és általában nagy) mennyiségű energiát vesz fel vagy bocsát ki. Mivel az energiát nem lehet azonnal átadni a rendszer és a környezete között, az elsőrendű átmenetek olyan kiterjesztett fázisokban zajlanak le, amelyekben nem minden rész megy át egyidejűleg: ezek a rendszerek heterogének. Ez az, amit látunk, amikor forró egy fazék víz : a víz nem azonnal átalakul gáz, hanem képez turbulens keveréket a víz és vízzel gőz buborékok . A heterogén kiterjesztett rendszereket nehéz tanulmányozni, mert dinamikájuk erőszakos és nehezen ellenőrizhető. Sok rendszer esetében ez a helyzet, különösen a szilárd / folyadék / gáz átmeneteknél.
A második rend átmenetei "folyamatos fázisnak" nevezett átmenetek; nincs társult entalpia. Ez a helyzet például a ferromágneses átmenet, a szuperfolyadék átmenet és a Bose-Einstein kondenzáció esetén.
A másodrendű átmenetek létének kérdése azonban nagyon régi vita, és ma már elfogadottnak tűnik, hogy nincsenek másodrendű átmenetek stricto sensu .
Végtelen sorrendű fázisátmenetek is vannak. Folyamatosak, de nem törnek meg semmilyen szimmetriát (lásd alább). A leghíresebb példa a Berezinsky-Kosterlitz-Thouless átmenet a kétdimenziós XY modellben . Ez a modell számos kvantumfázis-átmenet leírását teszi lehetővé egy kétdimenziós elektrongázban .
A folyékony és a gázfázis közötti átmenet esetén vannak olyan nyomás- és hőmérsékleti viszonyok, amelyeknél a folyadék és a gáz közötti átmenet másodrendűvé válik. E kritikus pont közelében a folyadék elég forró és tömörített ahhoz, hogy a folyadék- és gázfázist ne lehessen megkülönböztetni.
A rendszer tejszerű megjelenésű a közeg sűrűségének ingadozásai miatt, amelyek megzavarják a fényt a látható spektrumon. Ezt a jelenséget kritikus opáliának hívják .
Ez a fajta átmenet a mágneses rendszerekben is megtalálható.
Az átmenet előtti és utáni fázisok általában eltérő szimmetriával bírnak (de ez nem szisztematikus).
Vegyük például a folyadék (folyadék vagy gáz) és a kristályos szilárd anyag közötti átmenetet . A folyadék rendezetlenül és homogén módon elosztott molekulákból áll. Folyamatos transzlációs szimmetriája van: a folyadék bármely pontjának ugyanazok a tulajdonságai vannak. A rendezett szilárd anyag általában kristályrácsba rendezett atomokból áll. A transzlációs szimmetriát ezután olyan fordítások műveleteire redukáljuk, amelyek ezt a hálózatot invariánsnak hagyják (a hálózat vektorai). A transzlációs szimmetria a rendezett állapotban (kristály) ezért csökken a folyékony vagy gáz halmazállapotúhoz képest.
A szimmetriát megtörő átmenet másik példája a ferromágneses átmenet. Egy test mágnesezettségét a testet alkotó atomok mágneses momentumainak (spinjének) összehangolásával kapjuk. Magas hőmérsékleten a mágnesezettség nulla, a pörgések véletlenszerűen vannak kiválasztva (például egy külső mágneses tér irányában). A szomszédos pörgetések kölcsönhatásba lépnek egymással, és hajlamosak felállni. Ezt az orientációs szimmetriát megszakítja az összehangolt mágneses momentumokat tartalmazó mágneses tartományok képződése. Minden tartománynak van egy mágneses tere, amely a fázisátmenet során véletlenszerűen kiválasztott fix irányban mutat.
A szimmetriatörés jellege meghatározza a rendszer tulajdonságait a fázisátmenetnél. Ezt Landau megjegyezte : az eltérő szimmetriájú fázisok között nem lehet folyamatos és differenciálható funkciót találni. Ez megmagyarázza, hogy miért nem lehet kritikus pont a szilárd kristályos-folyadék átmenethez.
Termikus fázisátmeneteknél (amelyeket a hőmérséklet változása indukál) a legszimmetrikusabb fázis leggyakrabban a magas hőmérsékleten stabil fázis; ez például szilárd-folyadék és ferromágneses átmenetek esetén. Valójában magas hőmérsékleten egy rendszer hamilton- rendszere általában magasabb fokú szimmetriát mutat. Alacsony hőmérsékleten a rend megjelenése csökkenti a szimmetriát (a szimmetria spontán szakadása ).
A szimmetria megtörése további változók bevezetését igényli a rendszer állapotának leírására. Például a ferromágneses fázisban a rendszer leírása érdekében meg kell jelölni a domének "nettó mágnesezését", amely a Curie-pont alatti áthaladás során történik. Ezek a változók rendparaméterek . A sorrendparaméterek azonban meghatározhatók olyan átmenetek esetében is, amelyek nem törik meg a szimmetriát.
A szimmetriát megtörő fázisátmenetek fontos szerepet játszanak a kozmológiában . Az ősrobbanás elméletében a kezdeti vákuum (kvantumtérelmélet) nagy számú szimmetriával rendelkezik. A tágulás során az Univerzum hőmérséklete csökken, ami egy sor fázisátmenetet eredményez, amelyek a szimmetriák egymást követő töréseihez kapcsolódnak. Így a elektrogyenge átmenet szünetek a SU (2) × U (1) szimmetria az az elektrogyenge mező , a jelenlegi elektromágneses mező , amelynek U (1) szimmetria. Ez az átmenet fontos az anyagmennyiség és az antianyag közötti aszimmetria megértéséhez a jelen Világegyetemben (lásd az elektro-gyenge barionogenezist ).
A kritikus jelenségek közül a folyamatos (második vagy magasabb rendű) fázisátmenet sok érdekes tulajdonsággal rendelkezik.
A fázisátmenetek a rendszer paramétereinek evolúciójával jellemezhetők a hatalmi törvény külső paraméterének függvényében, amelynek kitevőit kritikus kitevőknek nevezzük .
Tehát, amikor T közel van T c-hez , a C hőkapacitás általában egy teljesítménytörvényt követ:
Az α állandó a hőkapacitáshoz tartozó kritikus kitevő. Mivel az átmenetnek nincs látens hője, az α-nak feltétlenül szigorúan kisebbnek kell lennie, mint 1 (különben a C ( T ) törvény már nem folytonos). Az α értéke a figyelembe vett fázisátmenet típusától függ:
Egyes rendszerek nem követik ezt a hatalmi törvényt. Például az átlagtér elmélet a hőteljesítmény véges megszakadását jósolja az átmeneti hőmérsékleten, és a kétdimenziós Ising modell logaritmikus divergenciával rendelkezik. Ezek a rendszerek azonban elméleti modellek; az eddig megfigyelt fázisátmenetek mind hatalmi törvényt követnek.
Több kritikus kitevőt definiálhatunk - β, γ, δ, ν és η jelöléssel -, amelyek megfelelnek a kritikus pont körüli fizikai paraméterek variációinak.
Figyelemre méltó, hogy a különböző rendszerek gyakran ugyanazokkal a kritikus kitevőkkel rendelkeznek. Ezt a jelenséget egyetemességnek nevezzük . Például a folyadék-gáz kritikus pont esetében a kritikus kitevők nagyrészt függetlenek a folyadék kémiai összetételétől. Meglepőbb, hogy a ferromágneses fázisátmenet kritikus kitevői pontosan megegyeznek az összes egyirányú mágnes esetében. Az ilyen rendszerekről azt mondják, hogy az egyetemesség azonos osztályába tartoznak .
Az egyetemesség a renormalizációs csoport fázisátmenet elméletének jóslata , amely azt jelzi, hogy az átmenethez közeli rendszer termodinamikai tulajdonságai csak kis számú elemtől függenek, például a dimenziótól és a szimmetriától, és érzéketlenek a rendszer mögöttes mikroszkopikus tulajdonságaira.