faasimuutoksissa

Faasimuutokset ovat ilmiöitä, joissa aine siirtyy yhdestä tilasta toiseen. Yleisimmät tilat ovat kiinteä, neste ja kaasu. Faasimuutokset syntyvät, kun lämpötila, paine tai koostumus muuttuu siten, että nykyinen faasi ei ole enää termodynaamisesti vakaata. Muutokset voivat olla sekä äkillisiä että asteittaisia riippuen siirtymisestä ja mekanismista.

Faasimuutokset jaetaan usein kahteen päätyyppiin: ensimmäisen asteen ja toisen asteen faasimuutoksiin. Ensimmäisen asteen faasimuutoksissa faasinmuutos vaatii latenttilämpöä, ja Gibbsin vapaaenergian ensimmäinen derivaatta muuttuu discontinuisesti; tällöin kaksi faasia voivat olla samanaikaisesti vakaana faasimuutoksen rajalla. Toisen asteen faasimuutoksissa latenttilämpöä ei synny, ja ominaisuudet kuten lämpökapasiteetti ja magneettinen herkkyys sekä korrelaatiokoko kasvavat lähestyttäessä muutoskohtaa ilman latenttilämmön esiintymistä.

Termodynamiikassa faasitasapaino määritellään siten, että faasien Gibbsin vapaaenergia G on tasan sama. Faasireunat noudattavat Clapeyronin suhdetta dP/dT = ΔS/ΔV, missä ΔS on faasinmuutoksessa vapautuva entropia ja ΔV tilavuusmuutos.

Kriittisissä faasimuutoksissa ominaisuudet kuten korrelaatiokoko ja vasteet voivat kasvaa merkittävästi. Tällöin järjestelmä noudattaa usein universaaleja käyttäytymismalleja ja pienet yksityiskohdat voivat vaikuttaa suuresti.

Kinetiikkaa ohjaavat nucleation (nukleaatio) ja kasvu. Metastabiilissa tilassa voidaan havaita ylilämpenemistä (superheating) tai yliki kylmitystä (supercooling), ja epäpuhtaudet sekä rajat voivat hidastaa tai nopeuttaa faasimuutosta.

Esimerkkejä ovat veden faasimuutokset: jäätyminen nollan asteen tienoilla, sulaminen ja höyrystyminen. Myös hiilidioksidin sublimoituminen normaalissa paineessa sekä eräiden metallien faasimuutokset, kuten teräksen rakenteen muutos, ovat yleisiä esimerkkejä faasimuutoksista.