Vaihemuutoksen

Vaihemuutoksen (vaihemuutoksen) käsite viittaa aineen tilan muutokseen, jossa sen fysikaaliset ominaisuudet, kuten tiheys ja rakenne, muuttuvat, kun ympäristöolosuhteita kuten lämpötilaa tai painetta muutetaan riittävästi. Tällaisia muutoksia tapahtuu esimerkiksi kiinteän ja nesteen sekä nesteen ja kaasun välillä, sekä kiinteä-kiinteän faasinmuutoksissa, jolloin järjestelmän symmetria ja rakenteet voivat muuttua radikaalisti.

Vaihemuutokset jaotellaan yleisesti ensiksi (first-order) ja toisiksi (second-order). Ensimmäisen asteen muutoksessa on latentti lämpö ja suuri entalpian sekä tilojen eron muutos; esimerkkejä ovat sulaminen, jäätyminen ja höyrystyminen. Toisen asteen muutoksessa lämpötilan ja paineen säätö saa ominaisuudet muuttumaan jatkuvasti ilman latenttia lämpöä; esimerkkejä ovat ferromagneettinen siirtymä ja helium-4:n lambda-siirtymä. On lisäksi harvinaisia korkeampien järjestysten muutoksia.

Prosessi etenee usein nukleaatio- ja kasvubasaasin mekanismeilla. Pienet uuden faasin alueet muodostuvat paikallisesti (nukleaatio) ja kasvavat, kunnes koko järjestelmä on uudessa faasissa. Joissakin tapauksissa voi ilmetä spinodaalista hajoamista, jossa uusi faasi syntyy spontaanisti ilman energian yliylittämistä. Faasisuhteita kuvataan faasidiagrammeilla, joissa lämpötila ja paine määrittävät, milloin ja missä muodossa muutos tapahtuu. Clapeyronin yhtälö kuvaa paineen ja lämpötilan välisen kytkennän faasirajoilla.

Käytännössä vaihemuutokset ovat keskeisiä monissa prosesseissa, kuten materiaalien käsittelyssä, metallurgiassa, geofysiikassa ja crys­tallisen rakenteen hallinnassa. Ymmärrys näistä ilmiöistä auttaa ennustamaan ja säätämään materiaalien ominaisuuksia sekä optimoimaan teollisia prosesseja.