fasenverandering

Fasenverandering is het proces waarbij een stof verandert van de ene toestand van materie naar een andere, zoals van vast naar vloeibaar of van vloeibaar naar gas, door veranderingen in temperatuur, druk of samenstelling. Bij veel stoffen treden fasenovergangen op bij specifieke condities en gaan gepaard met kenmerken zoals veranderingen in volume, enthalpie en structuur. De begrippen gelden ook voor andere toestanden, zoals amorfe of kristallijne fasen en in sommige systemen voor plasmastrukturen.

Er bestaan verschillende typen fasenveranderingen. Een eerste-orde overgang gaat gepaard met latent enthalpie en een abrupte verandering in dichtheid of volume; voorbeelden zijn smelten, bevriezen, condenseren en verdampen. Een tweede-orde of continue overgang kent geen latent warmte en laat een geleidelijke verandering in de ordeparameter zien, met vaak pieken in specifieke warmte of susceptibiliteit; voorbeelden zijn magnetische overgangen en sommige structurele transformaties. In sommige systemen bestaan ook hogere-orde of samengestelde overgangen.

Fase- en toestanddiagrammen helpen de grenzen tussen fasen te visualiseren. In een temperatuur-drukdiagram (T-P-diagram) worden fasen en hun grenzen aangegeven, inclusief het tripelpunt en het kritieke punt. De Clausius-Clapeyron-relatie beschrijft hoe de afstand tussen fasen verandert met temperatuur en druk via veranderingen in entropie en volume. De samenstelling van een stof en externe omstandigheden raken de positie van de grens tussen fasen.

Kinetiek en metastabiliteit spelen een belangrijke rol bij fasenveranderingen. Kernvorming en groei bepalen de snelheid van de transitie; metastabiele toestanden zoals superfrosten water kunnen bestaan dankzij superkoeling en kunnen gepaard gaan met hysteese effecten.

In de materialenwetenschap komen fasenveranderingen veel voor, bijvoorbeeld polymorfie (verschillende kristalstructuren), martensitische overgangen in metalen, magnetische en soms supergeleidende overgangen. Ook quantumfasenovergangen bij zeer lage temperaturen worden bestudeerd, gedreven door druk of magnetisch veld.

Waarneming gebeurt via calorimetrie (DSC), diffractie-technieken zoals röntgendiffractie, en andere spectroscopische methoden die veranderingen in structuur en thermodynamische parameters meten.