|
'''Teoria przejść fazowych''' -– dziedzina [[fizyka|fizyki]] znajdująca się na pograniczu [[Termodynamika klasyczna|termodynamiki fenomenologicznej]], [[fizyka materiałowa|fizyki materiałowej]], [[chemia fizyczna|chemii fizycznej]], [[teoria pola|teorii pola]]. Jest to dziedzina zajmująca się doświadczalnym i teoretycznym opisem tak zwanych '''zjawisk krytycznych''' zachodzących podczas [[faza (fizyka)|przejść fazowych]]. [[Zjawisko|Zjawiska]] te maja swoja wyraźną i zaskakującą specyfikę, zaś dla opisu wymagają rozwinięcia swoistych narzędzi matematycznych takich, jak [[renormalizacja|teoria grupy renormalizacji]]. Także badania doświadczalne [[przejście fazowe|przejść fazowych]] wobec wielkiej czułości tych [[zjawisko|zjawisk]] na stan otoczenia wymagaja specyficznego podejścia w planowaniu eksperymentów i ich przeprowadzaniu. Podstawową zasadą która konstytuuje tę dziedzinę fizyki jako samodzielny obszar badawczy jest fakt, że '''zupełnie różne [[substancja|substancje]] przejawiają w ramach [[zjawisko|zjawisk]] towarzyszących przejściom fazowym takie samo zachowanie''' co jest treścią '''hipotezy uniwersalności''' opisu przejść fazowych. W szczególności uniwersalne, czyli niezależne od materiału w którym dochodzi do przejścia fazowego, są '''wykładniki krytyczne''' czyli stopnie nieciągłości [[Pochodna funkcji|pochodnych funkcji]] stanu materiału. Wynika z tego, że w analizie przejść fazowych zupełnie nie maja znaczenia szczegóły budowy [[substancja|substancji]], jej skład chemiczny czy nawet detale dotyczące oddziaływań pomiędzy róznymiróżnymi mikroskopowymi fragmentami układu.
==Przejścia fazowe -– opis fenomenologiczny ==
Fenomenologiczny opis własności termodynamicznych układu rozpoczyna się zwykle od podania [[funkcjonał]]u energii swobodnej układu G. Postać tej [[funkcja|funkcji]] dla skomplikowanego [[układ termodynamiczny|układu termodynamicznego]] jest w teorii wynikiem uśrednienia przeprowadzonego dla skal mikroskopowych w ramach opisu układu za pomocą zespołów statystycznych. Jednak w praktyce funkcjonał G konstruje się w oparciu o zasady [[symetria|symetrii]]. Aby podać jego jawną postać, należy wybrać zmienną dynamiczną, która będzie opisywała zachowanie się układu. W ramach teorii przejść fazowych, typowym wyborem jest tak zwany '''parametr porządku''', który wybieramy w taki sposób, aby w fazie o większej [[entropia|entropii]] miał niższe wartości niż w fazie o entropii większej. I tak dla układów magnetycznych (na przykład dla [[ferromagnetyk]]a) typowym wyborem jest średnia [[magnetyzacja]] na jednostkę objętości. Dla układów cieczowych (na przykład podczas analizy [[krzepnięcie|krzepnięcia]] -– [[topnienie|topienia]]) typowym i naturalnym wyborem jest średnia [[gęstość]] [[ciecz]]y. Dla [[nadprzewodnik|nadprzewodników]] parametrem porządku jest [[funkcja falowa]] [[Para Coopera|pary Coopera]], co prowadzi do wielkości [[liczby zespolone|zespolonej]] o dwóch składowych rzeczywistych, zaś dla na przykład [[Ciekły kryształ|ciekłych kryształów]] [[cholesterol]]owych mamy do czynienia z [[tensor]]owym parametrem porządku, opisującym skręcenie [[direktor|direktorów]] w płaszczyznach przejawiających uporządkowanie typu [[faza nematyczna|nematycznego]].
[[Energia]] swobodna G jest [[funkcja ciągła|ciągłą funkcją]] parametrów w niej występujących, to jest parametru porządku, pól zewnętrznych i temperatury. Jak się jednak okazuje, w punkcie przejścia fazowego ma ona nieokreśloną [[pochodna funkcji|pochodną]], czyli sama funkcja G posiada [[punkt osobliwy]] w postaci np. ostrza. Zwykle przejścia fazowe analizuje się w funkcji temperatury, jest to jednak modelowe uproszczenie. Role parametru kontrolnego może pełnić bowiem zarówno [[temperatura]] jak [[pole magnetyczne]], [[stężenie]] składników i inne.
Własność ta jest podstawą klasyfikacji przejść fazowych zaproponowaną przez
[[Witalij Ginzburg|Witalija Ginzburga]] i [[Lew Landau|Lwa Landaua]]. Wyróżnia się obecnie dwa rodzaje przejść fazowych:
*'''przejścia fazowe nieciągłe''' -– kiedy pochodna [[energia swobodna|energii swobodnej]] G jest nieciągła (doznaje skoku), zaś sama funkcja G ma osobliwość w postaci ostrza. Dla fazy o wyższym parametrze porządku minimum G jest realizowane za pomoca innej gałęzi krzywej G niż dla fazy o niższych wartościach tego parametru. Obie gałęzie sa zszyte w punkcie przejścia fazowego tworząc ostrze. Ponieważ pochodna [[funkcjonał]]u G przy zmianie temperatury to [[ciepło właściwe]], mamy zatem do czynienia z nieciągłościa tej wielkości co oznacza, że w trakcie przejścia następuje wydzielanie się energii, tak zwanego [[utajone ciepło przejścia|utajonego ciepła przejścia]]. Typowymi przykładami takich pzrejść są zjawiska związane z [[topnienie]]m czy [[krzepnięcie]]m substancji, zjawiska [[parowanie|parowania]], [[wrzenie|wrzenia]], itp. Także przejścia fazowe [[ferromagnetyk]] -– [[paramagnetyk]] w obecności zewnętrznego [[pole magnetyczne|pola magnetycznego]] są przejściami tego rodzaju.
*'''przejścia fazowe ciągłe''' -– w tym przypadku funkcja G jest ciągła i posiada także ciągłe pochodne pierwszego rzędu co sprawia, że z przejściem nie jest związana żadna nieciągłość w [[ciepło właściwe|cieple właściwym]], a tym samym brak ciepła utajonego przejścia. Jednak druga lub któraś z wyższych pochodnych jest nieciągła (do chwili obecnej nie zaobserwowano przejścia z ciągłą drugą pochodną a nieciągłą trzecią czy wyższą). Przejścia takie mają niezmiernie ciekawe własności. Obszar około przejścia wykazuje istnienie olbrzymich [[fluktuacja|fluktuacji]] parametru porządku, które są [[korelacja|skorelowane]] ([[koherencja (fizyka)|koherentne]]) w olbrzymich makroskopowych objętościach. Typowym przykładem jest tu przejście w [[punkt potrójny|punkcie potrójnym]] na przykład [[woda|wody]], przejście [[ferromagnetyk]] -– [[paramagnetyk]] w [[temperatura Curie|punkcie Curie]], przejście [[nadprzewodnik]] -– [[przewodnik elektryczny|przewodnik]] i inne. Ponieważ brak jest utajonego ciepła przemiany dla dowolnej objętości ośrodka, brak jest jakiejkolwiek bariery energetycznej pomiędzy fazami -– mogą one współistnieć i zupełnie płynnie, bez wydatku energii, przechodzic jedna w drugą. To właśnie jest powodem istnienia olbrzymich [[fluktuacje|fluktuacji]].
Czasami można spotkać się ze starszą klasyfikacją przejść fazowych pochodzącą od [[Paul Ehrenfest|Ehrenfesta]], w której kryterium podziału, stopień pochodnych nieciągłych funkcji energii swobodnej, jest podobny jak w klasyfikacji powyższej, jednak rodzaje przejścia numeruje się numerem nieciągłej pochodnej, a więc mamy pzrejścia I rodzaju (jak powyżej), II rodzaju (nieciągła druga pochodna G), II rodzaju (nieciągła trzecia pochodna G) i tak dalej. Jednak po pierwsze nie zaobserwowano przejść fazowych III rodzaju, a po drugie miałyby one własności analogiczne do własności przejść II rodzaju, co sprawia, że obecnie używa się przedstawionej powyżej klasyfikacji.
|
