Faseovergange

Faseovergangen zijn veranderingen in de toestand van een stof die optreden wanneer externe omstandigheden zoals temperatuur, druk of samenstelling een kritieke waarde bereiken, waardoor de macroscopic eigenschappen veranderen. Ze worden vaak beschreven met een ordeparameter die de structuur of de symmetrie van het systeem meet. Faseovergangen treden op in systemen in thermisch evenwicht en kunnen gepaard gaan met veranderingen in entropie, dichtheid en andere grote metrics.

De belangrijkste categorieën zijn eerste-orde en tweede-orde faseovergangen. Bij een eerste-orde overgang wijkt de ordeparameter abrupt af en gaat vaak gepaard met latent warmte en mogelijk coexistentie van fasen; voorbeelden zijn water-ijs en water-damp, evenals veel magnetische overgangsprocessen. Bij een tweede-orde overgang verandert de ordeparameter geleidelijk naar nul bij het kritieke punt; er is geen latent warmte en de stof vertoont grote fluctuations met divergerende correlatietijden. Voorbeelden zijn ferromagnetische overgang bij het Curiepunt en verschillende supercondensatie- of vloeistof-naar-vaste-faseovergangen onder geschikte omstandigheden.

De onderliggende mechanismen verschillen sterk: eerste-orde overgangen verlopen vaak via nucleatie en groei van een nieuwe fase en kunnen hysterese tonen, terwijl tweede-orde overgangen voortkomen uit kritische fluctuaties die de ordeparameter doen opklimmen of afnemen en resulteren in universële gedragspatronen die afhankelijk zijn van dimensie en symmetrie. Observaties kunnen bestaan uit abrupt volume- of dichtheidsveranderingen en latent warmte bij eerste-orde overgangen, en uit scherpe pieken in warmtecapaciteit of susceptibiliteit bij tweede-orde overgangen.

Faseovergangen zijn fundamenteel voor materialeneigenschappen en spelen een cruciale rol in onder meer materiaalwetenschap, meteorologie, en de natuurkunde. Ze helpen bij het begrijpen en ontwerpen van materialen, cryogene systemen en de studie van kritieke fenomenen.