faseovergang

En faseovergang er en ændring af en fysisk egenskab i faste eller flydende stoffer. Når is smelter, eller vand fordamper, sker der fx en faseovergang.

I det første tilfælde fra en fast til en flydende fase, i det andet fra en flydende til en gasformig fase. En anden faseovergang er overgangen fra den ledende til den superledende fase i metaller: Køler man aluminium ned til en temperatur, der ligger ca. 1 °C over det absolutte nulpunkt, forsvinder den elektriske modstand, og metallet bliver superledende.

Overgangen mellem disse to faser sker ved en bestemt kritisk temperatur, T_c. Man skelner mellem faseovergange af første og anden orden. Ved en førsteordens faseovergang sker der et spring i entropien, hvilket giver sig udslag i en ændring i varmekapaciteten. Isens smeltning og vands fordampning er således førsteordens faseovergange, idet der kræves hhv. smeltevarme og fordampningsvarme for at ændre fase.

Ved andenordens faseovergange er entropien derimod kontinuert, dvs. der skal ikke tilføres "ekstra" varme for, at stoffet skifter fase. Aluminiums overgang til superledning er fx en andenordens faseovergang, som sker "øjeblikkeligt" ved den kritiske temperatur. Det samme er tilfældet for ferro- og antiferromagneters overgang til den uordnede paramagnetiske fase ved hhv. Curie-temperaturen T_c og Néel-temperaturen T_N. De fysiske egenskaber, som materialer udviser omkring andenordens faseovergange, kaldes kritiske fænomener.

Faseovergange af anden orden har tiltrukket sig stor interesse, fordi de udviser universelle træk, der sammenknytter så forskellige fysiske systemer som magnetiske materialer, legeringer og superledere. Fælles for andenordens faseovergange er, at de er ledsaget af et symmetribrud: Ved temperaturer over T_c har systemet en højere grad af symmetri end under, fx forsvinder rotationssymmetrien, når de tilfældigt orienterede atomare magneter i en paramagnet ensrettes ved faseovergangen til en ferromagnet.

Ved temperaturer lige under den kritiske temperatur T_c i et magnetisk materiale udviser magnetiseringen M (graden af de atomare magneters ensretning) og varmekapaciteten C en karakteristisk afhængighed af temperaturforskellen T_c−T. De er begge proportionale med en potens af denne temperaturforskel med en for hver af størrelserne karakteristisk eksponent. Eksperimentelt finder man således, at M er proportional med (T_c−T)^β, mens C er proportional med (T_c−T)^−α. Disse såkaldt kritiske eksponenter α og β kan måles med stor nøjagtighed. Typiske værdier er α = 0,1 og β = 0,33. I superledende materialer finder man derimod, at de tilsvarende eksponenter er α = 0 og β = 0,5.

I den statistiske termodynamik har bl.a. nobelpristageren K. Wilson udviklet slagkraftige metoder til beregning af kritiske eksponenter og til at forstå de forskelle, de udviser. En anden nobelpristager, L. Onsager, bidrog allerede i 1944 afgørende til udviklingen af teorien for kritiske fænomener ved en eksakt løsning af en simplificeret todimensional model af et magnetisk system.