Фазовый переход (i, ii рода; высших порядков)
Агрегатное состояние вещества является частным случаем более точно определяемого понятия — фазы.
Фазой называется термодинамически равновесное состояние вещества, отличающееся по физическим свойствам от других возможных равновесных состояний (других фаз) того же вещества.
Переход вещества из одной фазы в другую, происходящий при некоторых значениях параметров системы, называется фазовым переходом. При фазовом переходе происходит качественное изменение свойств вещества, поэтому иногда фазовый переход называют фазовым превращением.
Различают фазовые переходы I и II рода.
Фазовым переходом I рода называют такое фазовое превращение, при котором состояние вещества меняется скачком с выделением или поглощением теплоты.
В качестве параметров порядка для описания такого перехода обычно используются плотность и концентрация. Переходы между агрегатными состояниями — наиболее известные из фазовых переходов I рода.
К числу фазовых переходов I рода относятся: испарение и конденсация, плавление и затвердевание, сублимация и конденсация в твердую фазу. Сюда относятся также некоторые структурные переходы в твердых телах (например, образование мартенсита в сплаве железо — углерод).
Фазовым переходом II рода называют такое фазовое превращение, при котором состояние вещества меняется непрерывным образом, однако возможны скачки производных от термодинамических величин, например скачки теплоемкости.
При этом не происходит выделения или поглощения теплоты. Фазовые превращения II рода испытывают многие металлы и сплавы при переходе в сверхпроводящее состояние. Возникновение сверхтекучести в гелии при понижении температуры также относят к фазовым превращениям II рода.
Параметры порядка при таких переходах устроены более сложно. Иногда в качестве параметра порядка выступает целый набор локальных параметров или некоторая функция.
Иногда вводят понятия фазовых переходов высших порядков. Так называют переходы, при которых не только не выделяется теплота, но и не изменяется даже теплоемкость, что обязательно для фазового перехода II рода.
Такое поведение наблюдается у некоторых сверхпроводников в экспериментах по исследованию температурной зависимости критических магнитных полей, разрушающих сверхпроводящее состояние. Как оказалось, при переходе в сверхпроводящую фазу теплоемкость вещества не всегда меняется.
Данный эффект свидетельствует о существовании в сверхпроводниках фазовых переходов высших порядков.
В общем случае фазовый переход можно понимать как резкое изменение симметрии вещества, происходящее при определенных значениях параметров. Параметр порядка может изменяться непрерывно, но симметрия появляется и исчезает скачком.
Обычно ниже точки фазового перехода (при меньших значениях параметров) система более упорядочена. Это означает, что число допустимых операций симметрии, относительно которых система инвариантна, становится меньше.
Симметрия системы ниже точки фазового перехода уменьшается, хотя, с обычной точки зрения, состояние вещества кажется более симметричным.
