Фазовые переходы

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ, переходы в-ва из одной фазы в другую при изменении параметров состояния, характеризующих термодинамич. равновесие. Значение т-ры, давления или к.-л. др. физ. величины, при к-ром происходят Ф. п. в одно-компонентной системе, наз. точкой перехода. При Ф. п. I рода св-ва, выражаемые первыми производными энергии Гиббса G по давлению р, т-ре Т и др. параметрам, меняются скачком при непрерывном изменении этих параметров. При этом выделяется или поглощается теплота перехода. В однокомпонентной системе т-ра перехода T₁ связана с давлением р₁ Клапейрона - Клаузиуса уравнением dp₁/dT₁ = = QIT₁DV, где Q - теплота перехода, DV - скачок объема. Для Ф. п. I рода характерны гистерезисные явления (напр., перегрев или переохлаждение одной из фаз), необходимые для образования зародышей другой фазы и протекания Ф. п. с конечной скоростью. В отсутствие устойчивых зародышей перегретая (переохлажденная) фаза находится в состоянии метастабильного равновесия (см. Зарождение новой фазы). Одна и та же фаза может существовать (хотя и метастабильно) по обе стороны от точки перехода на диаграмме состояния (однако кристаллич. фазы нельзя перегреть выше т-ры плавления или сублимации). В точке F. p. I рода энергия Гиббса G как ф-ция параметров состояния непрерывна (см. рис. в ст. Диаграмма состояния), а обе фазы могут сосуществовать сколь угодно долго, т. е. имеет место т. наз. фазовое расслоение (напр., сосуществование жидкости и ее пара или твердого тела и расплава при заданном полном объеме системы).

Ф. п. I рода - широко распространенные в природе явления. К ним относятся испарение и конденсация из газовой в жидкую фазу, плавление и затвердевание, сублимация и конденсация (десублимация) из газовой в твердую фазу, большинство полиморфных превращений, нек-рые структурные переходы в твердых телах, напр, образование мартенсита в сплаве железо - углерод. В чистых сверхпроводниках достаточно сильное магн. поле вызывает Ф. п. I рода из сверхпроводящего в нормальное состояние.

При Ф. п. II рода сама величина G и первые производные G по T, р и др. параметрам состояниям меняются непрерывно, а вторые производные (соотв. теплоемкость, коэф. сжимаемости и термич. расширения) при непрерывном изменении параметров меняются скачком либо сингулярны. Теплота не выделяется и не поглощается, явления гистерезиса и метаста-бильные состояния отсутствуют. К F.п. II рода, наблюдаемым при изменении т-ры, относятся, напр., переходы из парамагнитного (неупорядоченного) состояния в магнитоупо-рядоченное (ферро- и ферримагнитное в Кюри точке, антиферромагнитное в Нееля точке) с появлением спонтанной намагниченности (соотв. во всей решетке или в каждой из магн. подрешеток); переход диэлектрик - сегнетоэлектрик с появлением спонтанной поляризации; возникновение упорядоченного состояния в твердых телах (в упорядочивающихся сплавах); переход смектич. жидких кристаллов в нематич. фазу, сопровождающийся аномальным ростом теплоемкости, а также переходы между разл. смектич. фазами; l-переход в ⁴He, сопровождающийся возникновением аномально высокой теплопроводности и сверхтекучести (см. Гелий); переход металлов в сверхпроводящее состояние в отсутствие магн. поля.

F. п. могут быть связаны с изменением давления. Многие в-ва при малых давлениях кристаллизуются в неплотноупако-ванные структуры. Напр., структура графита представляет собой ряд далеко отстоящих друг от друга слоев атомов углерода. При достаточно высоких давлениях таким рыхлым структурам соответствуют большие значения энергии Гиббса, а меньшим значениям отвечают равновесные плотноупако-ванные фазы. Поэтому при больших давлениях графит переходит в алмаз. Квантовые жидкости ⁴He и ³He при нормальном давлении остаются жидкими вплоть до самых низких из достигнутых т-р вблизи абс. нуля. Причина этого - в слабом взаимод. атомов и большой амплитуде их "нулевых колебаний" (высокой вероятности квантового туннелирования из одного фиксированного положения в другое). Однако повышение давления приводит к затвердеванию жидкого гелия; напр., ⁴He при 2,5 МПа образует гексаген, плотноупакован-ную решетку.

Общая трактовка F. п. II рода предложена Л. Д. Ландау в 1937. Выше точки перехода система, как правило, обладает более высокой симметрией, чем ниже точки перехода, поэтому F. p. П рода трактуется как точка изменения симметрии. Напр., в ферромагнетике выше точки Кюри направления спиновых магн. моментов частиц распределены хаотически, поэтому одновременное вращение всех спинов вокруг одной и той же оси на одинаковый угол не меняет физ. св-в системы. Ниже точки перехода спины имеют преимуществ. ориентацию, и совместный их поворот в указанном выше смысле изменяет направление магн. момента системы. В двухкомпо-нентном сплаве, атомы к-рого А и В расположены в узлах простой кубич. кристаллич. решетки, неупорядоченное состояние характеризуется хаотич. распределением А и В по узлам решетки, так что сдвиг решетки на один период не меняет св-в. Ниже точки перехода атомы сплава располагаются упорядочено: ...ABAB... Сдвиг такой решетки на период приводит к замене всех атомов А на В и наоборот. T. обр., симметрия решетки уменьшается, т. к. подрешетки, образуемые атомами А и В, становятся неэквивалентными.

Симметрия появляется и исчезает скачком; при этом нарушение симметрии можно охарактеризовать физ. величиной, к-рая при Ф. п. II рода изменяется непрерывно и наз. параметром порядка. Для чистых жидкостей таким параметром является плотность, для р-ров - состав, для ферро- и ферримагнетиков - спонтанная намагниченность, для сегне-тоэлектриков - спонтанная электрич. поляризация, для сплавов - доля упорядочившихся атомов для смектич. жидких кристаллов - амплитуда волны плотности и т. п. Во всех перечисленных случаях при т-рах выше точки Ф. п. II рода параметр порядка равен нулю, ниже этой точки начинается его аномальный рост, приводящий к макс. значению при T = O.

Отсутствие теплоты перехода, скачков плотности, и концентраций, характерное для Ф. п. II рода, наблюдается и в критич. точке на кривых Ф. п. I рода (см. Критические явления). Сходство оказывается очень глубоким. Состояние в-ва около критич. точки также можно охарактеризовать величиной, играющей роль параметра порядка. Напр., в случае равновесия жидкость - пар таким параметром служит отклонение плотности в-ва от критич. значения: при движении по критич. изохоре со стороны высоких т-р газ однороден и отклонение плотности от критич. значения равно нулю, а ниже критич. т-ры в-во расслаивается на две фазы, в каждой из к-рых отклонение плотности от критической не равно нулю.

Поскольку вблизи точки Ф. п. II рода фазы мало отличаются друг от друга, возможно существование флуктуации параметра порядка, точно так же, как вблизи критич. точки. С этим связаны критич. явления в точках Ф. п. II рода: аномальный рост магн. восприимчивости ферромагнетиков и диэлектрич. восприимчивости сегнетоэлектриков (аналогом является рост сжимаемости вблизи критич. точки перехода жидкость - пар); резкий рост теплоемкости; аномальное рассеяние световых волн в системе жидкость - пар (т. наз. критич. опалесценция), рентгеновских лучей в твердых телах, нейтронов в ферромагнетиках. Существенно меняются и динамич. процессы, что связано с очень медленным рассасыванием образовавшихся флуктуации. Напр., вблизи критич. точки жидкость - пар сужается линия рэлеевского рассеяния света, вблизи точек Кюри и Нееля соотв. в ферромагнетиках и антиферромагнетиках замедляется спиновая диффузия (происходящее по законам диффузии распространение избыточной намагниченности). Средний размер флуктуации (корреляционный радиус) растет по мере приближения к точке Ф. п. II рода и становится в этой точке аномально большим. Это означает, что любая часть в-ва в точке перехода "чувствует" изменения, произошедшие в остальных частях. Наоборот, вдали от точки перехода II рода флуктуации статистически независимы и случайные изменения состояния в данной части системы не сказываются на св-вах других ее частей.

Деление Ф. п. на два рода несколько условно, т. к. бывают Ф. п. I рода с малыми скачками параметра порядка и малыми теплотами перехода при сильно развитых флуктуациях. Это наиб, характерно для переходов между жидкокристаллич. фазами. Чаще всего это Ф. п. I рода, очень близкие к Ф. п. П рода. Поэтому они, как правило, сопровождаются критич. явлениями. Природа многих Ф. п. в жидких кристаллах определяется взаимод. неск. параметров порядка, связанных с разл. типами симметрии. В нек-рых орг. соед. наблюдаются т. наз. возвратные жидкокристаллич. фазы, появляющиеся при охлаждении ниже т-р существования первичных нема-тич., холестерич. и смектич. фаз.

Особая точка на фазовой диаграмме, в к-рой линия переходов I рода превращается в линию переходов П рода, наз. трикритич. точкой. Трикритич. точки обнаружены на линиях Ф. п. в сверхтекучее состояние в р-рах ⁴He - ³He, на линиях ориентационных переходов в галогенидах аммония, на линии переходов нематич. жидкий кристалл - смектич. жидкий кристалл и в др. системах.

Лит.: Бrаут Р., Фазовые переходы, пер. с англ., M., 1967; Ландау Л.Д., Лифшиц E.M., Статистическая физика, ч. 1, 3 изд., M., 1976; Пикин С.А., Структурные превращения в жидких кристаллах, M., 1981; Паташинский А. 3., Покровский В. Л., Флуктуационная теория фазовых переходов, 2 изд., M., 1982; Анисимов M. А., Критические явления в жидкостях и жидких кристаллах, M., 1987. М. А. Анисимов.