Фазовый переход¶
Фазовый переход — это переход вещества из одной фазы в другую, сопровождающийся скачкообразным изменением его физических свойств (плотности, внутренней энергии, энтропии, симметрии кристаллической решётки). Термин относится к области термодинамики и физики конденсированного состояния. В узком смысле под фазовым переходом понимают равновесный процесс, при котором система меняет агрегатное состояние или структуру; в более широком — любое качественное изменение состояния системы под действием внешнего параметра (температуры, давления, магнитного поля и т. д.).
¶Классификация фазовых переходов
По термодинамической классификации, предложенной Паулем Эренфестом в 1933 году, различают фазовые переходы первого и второго рода.
¶Фазовые переходы первого рода
При переходе первого рода происходит скачок первых производных термодинамического потенциала — энтропии и объёма (или других соответствующих параметров). Это означает:
- наличие скрытой теплоты (энтальпии) перехода;
- скачок плотности;
- возможность существования двух фаз в равновесии при температуре перехода.
К переходам первого рода относятся плавление льда, кипение воды, конденсация пара, алмортропные переходы в металлах. При этом система может переохлаждаться или перегреваться, что приводит к появлению метастабильных состояний.
¶Фазовые переходы второго рода
При переходе второго рода первые производные потенциала остаются непрерывными, но непрерывность теряют вторые производные — теплоёмкость, сжимаемость, коэффициент теплового расширения. Скрытая теплота отсутствует. Примеры: ферромагнитный переход в точке Кюри, сверхпроводящий переход, переход Ландау — теория сверхтекучести гелия-4.
¶Высшие порядки переходов
Современная классификация, основанная на работах Л. Д. Ландау и Л. П. Питаева, выделяет также переходы более высоких порядков, а также квантовые фазовые переходы, происходящие при нулевой температуре под действием давления или магнитного поля.
¶Теория Ландау
Основой современного понимания фазовых переходов является теория Ландау (1937). Её ключевые положения:
- Вблизи точки перехода вводится порядковый параметр — величина, равная нулю в одной фазе и отличная от нуля в другой (например, намагниченность в ферромагнетике).
- Свободная энергия системы представляется в виде разложения по степеням порядкового параметра с учётом симметрии.
- Фазовый переход соответствует изменению знака коэффициента при квадратичном члене разложения.
Теория Ландау описывает переходы второго рода и позволяет вычислить критические показатели — степенные законы поведения физических величин вблизи критической точки.
¶Критические явления
Наиболее изученным примером является критическая точка жидкости. При температуре выше критической различие между жидкой и газообразной фазами исчезает, граница между ними пропадает. Вблизи критической точки наблюдаются:
- критическое помутнение (сильное рассеяние света из-за флуктуаций плотности);
- аномальный рост сжимаемости и теплоёмкости;
- поведение, описываемое универсальными критическими показателями, не зависящими от природы вещества.
¶Квантовые фазовые переходы
При нулевой температуре система может менять состояние за счёт квантовых флуктуаций, а не тепловых. Такие переходы возникают, например, в сверхпроводниках при изменении магнитного поля или в магнитных системах при изменении давления. Теория квантовых фазовых переходов развивалась в работах С. А. Губанова, Дж. Халлана и других физиков.
¶Примеры в природе и технике
Фазовые переходы имеют широкое практическое значение:
- Металлургия — кристаллизация металлов, превращения аллотропных модификаций (железо — альфа, гамма, дельта).
- Криогенная техника — сжижение газов, сверхпроводимость в магнитных системах.
- Пищевая промышленность — замораживание, сублимационная сушка.
- Геология — превращения минералов под действием давления в мантии Земли.
- Электроника — фазовые переходы в памяти на основе халькогенидов (технология DVD-RW).
¶Русские вклады в теорию
Советская и российская физическая школа внесла значительный вклад в изучение фазовых переходов. Л. Д. Ландау создал общую теорию, Л. П. Питаевский развил теорию сверхтекучести, И. М. Халатников внёс вклад в теорию сверхпроводимости. В работах Я. И. Френкеля, Л. В. Шубникова и других исследователей были заложены основы физики конденсированного состояния.
¶История
Термин «фазовый переход» закрепился в физике в первой половине XX века. Ранние исследования критической точки проводил Д. И. Менделеев, показавший в 1860-х годах непрерывность перехода между жидкой и газообразной фазой. Классификация по порядку перехода была предложена Эренфестом, а строгая теория — Ландау в 1937 году.
¶Источники
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. — М.: Наука.
- Питаевский Л. П., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. — М.: Наука.
- Кубо Р. Термодинамика. — М.: Мир.
- Голдстон Дж. Теоретическая физика. — М.: Мир.