Phasenwechsels

Der Begriff Phasenwechsel (Phasenübergang) bezeichnet den Übergang eines Stoffes von einer Phase in eine andere, der durch Veränderungen thermodynamischer Größen wie Temperatur, Druck oder äußerer Felder bedingt wird. Typische Phasen sind Festkörper, Flüssigkeit und Gas; weitere Phasenformen können Kristallstrukturen, Flüssigkristalle oder Supperzustände sein. Phasenwechsel treten sowohl in der Natur als auch in Technik und Wissenschaft auf und lassen sich über Phasendiagramme beschreiben.

Man unterscheidet grob zwischen erstordnigen und kontinuierlichen (zweiten Art) Phasenwechseln. Erstordnige Übergänge gehen mit einem sprunghaften Anstieg oder Abfall von Enthalpie und Entropie einher, es gibt eine Phasen-koexistenz im Übergangsbereich und oft eine Freie-Leistung (Latentwärme). Charakteristisch sind Hysterese und der Clapeyron-Ansatz zur Beschreibung der Druck-Temperatur-Beziehung entlang der Phasenlinie. Typische Beispiele sind das Schmelzen von Eis bei 0 °C oder das Verdampfen von Wasser bei 100 °C (1 atm). Nucleation und Wachstumsmechanismen governieren den Übergang.

Kontinuierliche Phasenwechsel weisen keine Latentwärme auf und die Änderung einzelner Größen verläuft zwar überhaupt, aber ohne Sprünge. Hier divergieren oft Suszeptibilitäten oder Korrelationslängen, und kritische Phänomene zeigen sich. Beispiele sind der ferromagnetische Übergang bei der Curie-Temperatur oder der Übergang zu supraleitenden Zuständen. Diese Übergänge folgen oft universellen Skalengesetzen und sind Gegenstand der Critical-Phenomena-Theorie.

Phasenwechsel finden auch in Festkörpern (Polymorphie, martensitische Umwandlungen), in Flüssigkristallen und in kosmischen oder chemischen Systemen statt. Phasendiagramme, Metastabilität und Routen der Phasenübergänge spielen eine zentrale Rolle in Materialkunde, Thermodynamik und Physik.