Phasenübergänge

Phasenübergänge bezeichnen Änderungen des physikalischen Zustands eines Systems, die durch Variation eines Kontrolleparameters wie Temperatur, Druck, äußeres Feld oder chemische Zusammensetzung ausgelöst werden. Dabei wechseln Zustände des Systems und dessen Symmetrieeigenschaften; zentrale Größen wie Dichte, Magnetisierung oder Leitfähigkeit zeigen charakteristische Veränderungen. Ein zentrales Konzept ist der Ordnungsparameter: eine Größe, die in einer Phase verschwindet oder einen bestimmten Wert annimmt und in der anderen Phase entsprechend wächst oder abnimmt.

Phasenübergänge erster Ordnung zeichnen sich durch eine latente Wärme, einen sprunghaften Wechsel des Ordnungsparameters und Koexistenz von Phasen aus. Sie treten oft bei konkreten Sprüngen in Dichte oder Enthalpie auf und zeigen Hysterese sowie Pfadabhängigkeit.

Phasenübergänge zweiter Ordnung (kontinuierlich) weisen eine stetige Veränderung des Ordnungsparameters auf, es gibt keine latente Wärme. Die Korrelationen des Systems werden langreichweitig; die Suszeptibilität und die spezifische Wärme können divergieren. Kritische Phänomene folgen universellen Skalengesetzen; die Landau-Theorie dient als einfache Näherung, während die Renormierungsgruppe tiefergehende Erklärungen liefert.

Beispiele sind der Eis-Wasser-Schmelzpunkt, der Übergang von flüssig zu fest unter bestimmten Drücken, der Ferromagnetismus bei der Curie-Temperatur und der Übergang in den supraleitenden Zustand bei Tc. Quantenphasenübergänge treten bei sehr niedrigen Temperaturen auf und werden von Parametern wie Druck oder externem Feld getrieben.