Tranziţii de fază

În fizică, o tranziție de fază este transformarea unui sistem termodinamic de la o fază la alta. Caracteristica distinctivă a unei tranziții de fază este o schimbare bruscă a uneia sau mai multor proprietăți fizice, în special capacitatea termică, cu o mică schimbare a unei variabile termodinamice cum ar fi temperatura. Exemple de tranzitii de fază sunt:

• Tranzițiile între solid, lichid, şi fazele gazoase (fierbere, topire, sublimare, etc)

• Tranziția între faze feromagnetice și paramagnetice ale materialelor magnetice la punctul Curie.

• Apariția supraconductibilității în anumite metale atunci când sunt răcite sub o temperatură critică.

• Condensarea cuantică de fluide bosonice, cum ar fi condensarea Bose-Einstein și tranziția superfluidului în heliu lichid.

• Ruperea simetriei în legile fizicii în perioada timpurie a universului în timp ce temperatura sa s-a răcit.

Tranzițiile de fază veni apar energia liberă a unui sistem este non-analitică pentru unele variabile termodinamice. Acest non-analiticitate rezultă în general din interacțiunile un număr extrem de mare de particule într-un sistem, și nu apare în sistemele care sunt prea mici.

Clasificarea tranzițiilor de fază

Clasificarea Ehrenfest

Prima încercare de clasificare a tranzițiilor de fază a fost schema de clasificare Ehrenfest, care a grupat tranzițiile de fază în funcție de gradul de non-analiticitate implicat. Deși utilă, clasificarea Ehrenfest este greșită.

În cadrul acestui sistem, tranzițiile de fază au fost marcate de cea mai scăzută derivată a energiei libere, care este discontinuă în zona de tranziție. Tranzițiile de fază de ordinul întâi prezintă o discontinuitate în prima derivată a energiei libere, cu o variabilă termodinamică. Diferitele tranziţii solide/lichide/gaze sunt clasificate ca tranziții de ordinul întâi, întrucât presiunea, care este prima derivată a energiei libere cu volum, se modifică discontinuu între tranziții. Tranzițiile de fază de ordinul al doilea au o discontinuitate în a doua derivată a energiei libere. Acestea includ tranziția de fază feromagnetică în materiale cum ar fi fierul, unde magnetizarea, care este prima derivată a energiei libere cu puterea câmpului magnetic aplicat, crește continuu de la zero, în timp ce temperatura este coborâtă sub temperatura Curie. Susceptibilitatea magnetică, derivata a doua a energiei libere cu câmpul, se schimbă discontinuu. În cadrul schemei de classicare Ehrenfest, ar putea fi, în principiu, tranziții de fază de ordinul trei, patru, și  mai mari.

Clasificarea modernă a tranzițiilor de fază

Schema Ehrenfest este o metodă incorectă de clasificare a tranzitiilor de fază, pentru că se bazează pe teoria câmpului mediu a fazelor. Teoria câmpului mediu este inexactă în imediata apropiere a tranziţiilor de fază, deoarece neglijează rolul fluctuațiilor termodinamice. De exemplu, se prevede o discontinuitate finită în capacitatea termică în zona de tranziție feromagnetică, care este implicată de definiția Ehrenfest a tranziţiilor de „ordinul al doilea”. În feromagneți reali, capacitatea termică diverge la infinit în tranziție.

În schema de clasificare modernă, tranziții de fază sunt împărțite în două mari categorii, denumite similar pentru clasele Ehrenfest:

Tranzițiile de fază de ordinul întâi sunt cele care implică o căldură latentă. În timpul unei astfel de tranziție, un sistem absoarbe sau elibereaza o cantitate fixă (și de obicei mare) de energie. Întrucât energia nu poate fi transferată instantaneu între sistem și mediul său, tranzițiile de ordinul întâi sunt asociate cu „regimuri mixte fază”, în care unele părți ale sistemului au terminat tranziția, în timp ce altele încă nu. Acest fenomen este familiar pentru oricine a fiert o oală de apă: apa nu se transformă instantaneu în gaz, formează mai întâi un amestec turbulent de bule de apă și vapori de apă. Sisteme mixte de faze sunt dificil de studiat, deoarece dinamica lor este violentă și greu de controlat. Cu toate acestea, multe tranziţii de fază importante se încadrează în această categorie, inclusiv tranziţiile solid/lichid/gaz.

Cea de a doua categorie de tranziţii de fază sunt tranziţiile de fază continuă, numite şi tranziții de fază de ordinul doi. Acestea nu au nicio căldură latentă asociată. Exemple de tranziții de fază de ordinul doi sunt tranziția feromagnetică, tranziția superfluidelor, și condensarea Bose-Einstein.

Mai multe tranziții sunt cunoscute ca tranziții de fază de ordin infinit. Ele sunt continue, dar nu rup nicio simetrie. Cel mai celebru exemplu este tranziția Berezinsky-Kosterlitz-Thouless în modelul bidimensional XY. Mai multe tranziții de fază cuantice din gazele de electroni bidimensionale aparțin acestei clase.