Фазовые переходы в сплавах (ii рода)
В качестве примера фазовых переходов II рода рассмотрим переходы порядок-беспорядок, происходящие в бинарных сплавах (сплавах двух металлов). В этом частном случае проще разобраться, чем в аналогичных, но более сложных процессах, происходящих в окрестности критической точки воды или в сверхтекучем гелии.
Типичным бинарным сплавом является латунь — сплав, содержащий равные количества меди и цинка. Атомы в латуни располагаются в узлах объёмно-центрированной кубической решетки так, что каждый атом окружен восемью другими атомами.
Возможна различная степень упорядоченности такой решетки. В максимально упорядоченной фазе решетка представляет собой две взаимопроникающие подрешетки, одна из которых состоит только из атомов меди, другая — только из атомов цинка.
Говорят, что решетка при этом имеет сверхструктуру — дальний порядок, простирающийся на макроскопические расстояния. С повышением температуры атомы начинают занимать «чужие» узлы (см. рисунок), что искажает сверхструктуру и полностью ее разрушает, когда температура превышает некоторое значение Tкр, называемое критическим.
И хотя геометрия решетки остается правильной (кубической объемно-центрированной), новая фаза разупорядочена!
В качестве параметра порядка в латуни используется простая по смыслу функция двух аргументов:
η = (N1(1) — N1(2)) / (N1(1) + N1(2)).
Здесь через N1(1) обозначено среднее число атомов 1-го типа (медь), занимающих «правильное 1-е положение», a N1(2) — среднее число атомов 1-го типа, стоящих в «чужом 2-м положении» (2-й тип — цинк, его положение 2-е).
Используя методы статистической физики, можно найти энтропию S(η), внутреннюю энергию U = U(η) и другие термодинамические параметры латуни как явные функции параметра порядка. В равновесном состоянии параметр порядка η полностью определяется температурой T. Расчетная зависимость η = η(T) приведена на рисунке.
Дифференцируя функцию внутренней энергии от параметра U = U(η) по температуре, найдем, как меняется в зависимости от температуры теплоемкость C = C(T). При критической температуре происходит скачок теплоемкости, т. е. мы имеем дело с фазовым переходом II рода!
Типична для фазового перехода II рода и наблюдаемая в латуни потеря симметрии при охлаждении ниже критической температуры. Высокотемпературная неупорядоченная фаза (η = 0) обладает всеми симметриями упорядоченной фазы (η = 1) плюс трансляции на расстояния, кратные расстоянию между атомами.
Фазовые переходы II рода, наблюдаемые в более сложных системах, чем бинарный сплав, имеют более сложные параметры порядка, но их поведение в целом аналогично поведению латуни при нагревании.
