Phasenübergang

Pha|sen|über|gang 〈m. 1u; Phys.〉 Umwandlung eines Stoffes von einer Phase in eine andere bei bestimmten Werten von Druck u. Temperatur, z. B. für Wasser beim Siedepunkt, Eispunkt

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Pha|sen|ü|ber|gang: svw. ↑ Phasenumwandlung.

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Phasen|übergang,

 

Phasen|umwandlung, Übergang eines Vielteilchensystems von einer thermodynamischen Phase in eine andere, wobei sich seine makrophysikalische Eigenschaften (z. B. Dichte, elektrische Leitfähigkeit) und/oder die räumliche Symmetrie der Struktur in Abhängigkeit von Temperatur, Druck, elektrische oder magnetische Feldstärke, chemisches Potenzial oder einem anderen intensiven Parameter stark ändern. Die verschiedenen Phasen unterscheiden sich bei festem Wert der intensiven Variablen durch ihre Zustandsgrößen wie Entropie, innere oder freie Energie und Enthalpie. Eine Phase kann dabei jeweils nur in einem begrenzten Bereich der intensiven Parameter existieren, bei Überschreiten der Stabilitätsgrenzen muss sich das System in eine andere Phase umwandeln.

 

Qualitativ lassen sich zwei verschiedene Arten von Phasenübergängen unterscheiden, der diskontinuierliche Phasenübergang (Phasenübergang I. Art) und der kontinuierliche Phasenübergang (Phasenübergang II. Art), bei denen sich die Zustandsgrößen als Funktion des intensiven Parameters am Umwandlungspunkt sprunghaft beziehungsweise stetig ändern. Phasenübergänge I. Art sind die Umwandlungen eines Stoffes in die verschiedene Aggregatzustände, d. h. Verdampfen, Schmelzen, Sublimieren, Kondensieren und Erstarren, sowie die Umwandlung der Kristallstruktur in Festkörpern, die Bildung von Legierungen oder Flüssigkeitsmischungen. Phasenübergänge II. Art sind u. a. die Übergänge von Festkörpern vom paramagnetischen in den ferromagnetischen oder vom paraelektrischen in den ferroelektrischen Zustand, der Übergang eines Metalls von normaler elektrischer Leitfähigkeit zur Supraleitung, das Entstehen von Suprafluidität, die Entmischung verschiedener Komponenten in einem Gemisch oder auch der Flüssigkeit-Gas-Übergang am kritischen Punkt. Die beim Phasenübergang beobachteten Änderungen makrophysikalischer Eigenschaften sind auf mikroskopische Änderungen des Ordnungszustands und damit der gegenseitigen Wechselwirkung der atomaren Bausteine am kritischen Punkt (z. B. beim Überschreiten einer kritischen Temperatur, einer kritischen Dichte, einer kritischen Feldstärke; kritischer Zustand) zurückzuführen. Rein phänomenologisch kann der Phasenübergang durch Einführung eines Ordnungsparameters (z. B. der Magnetisierung beim ferromagnetischen Phasenübergang oder der Differenz der Dichte von Flüssig- und Gasphase beim Flüssigkeit-Gas-Phasenübergang) beschrieben werden.

 

Dem Sprung in der Entropie beim Phasenübergang I. Art entspricht eine latente Wärme, die vom System beim Phasenübergang ohne Temperaturänderung aufgenommen oder abgegeben wird. Wegen der Entropiedifferenz existiert eine endliche Grenzflächenenergie zwischen den beiden Phasen, die zu Keimbildungsschwierigkeiten und zu einer Umwandlungshysterese führt. Beim Phasenübergang II. Art sind alle Zustandsgrößen am Umwandlungspunkt in beiden Phasen gleich, sodass die Phasen sich ohne Energieaufwand ineinander umwandeln können. Der Wechsel zwischen den beiden Phasen vollzieht sich an der Stabilitätsgrenze im thermischen Gleichgewicht und entspricht daher einem Stabilitätszustand. Im Gegensatz dazu sind die Zustände auf der Stabilitätsgrenze beim Phasenübergang I. Art instabil, sodass die Umwandlung bereits vor Erreichen dieser Grenze eintreten muss. Es gibt daher einen Bereich, in dem beide Phasen nebeneinander im Gleichgewicht auftreten können (Koexistenzbereich), wobei das System beim Übergang in diesen Koexistenzbereich nicht notwendig beide Phasen ausbilden muss, sondern in einen metastabilen Zustand übergehen kann (z. B. überhitzte Flüssigkeit). Der Phasenübergang aus diesem metastabilen Zustand, der spätestens bei Erreichen der Stabilitätsgrenze erfolgen muss, wird durch hinreichend große lokale Fluktuationen der intensiven Variablen ausgelöst. Bei Phasenübergängen II. Art können die beiden Phasen nur auf der Stabilitätsgrenze koexistieren. Oberhalb und unterhalb der Stabilitätsgrenze existieren keine metastabilen Zustände. Charakteristisch für die Phasenübergänge II. Art ist, dass physikalisch völlig verschiedene Phänomene, wie die Kompressibilität eines Flüssigkeit-Gas-Systems an seinem kritischen Punkt, die Dielektrizitätskonstante eines Ferroelektrikums an seinem ferropara-elektrischen Umwandlungspunkt, die magnetische Suszeptibilität eines Ferromagneten an seinem Curie-Punkt, die Wärmeleitfähigkeit, der Wärmeausdehnungskoeffizient, der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands in einem engen Temperaturintervall von etwa ± 1 % um T_c (T_c kritische Temperatur), exakt dieselbe Temperaturabhängigkeit aufweisen und die Materialkonstanten nahe T_c auf das 100- bis 1 000fache ihres normalen Werts anwachsen. Diese Universalität wird dadurch erklärt, dass an einem kritischen Punkt bei einem kontinuierlichen Phasenübergang die Fluktuationen des Ordnungsparameters so groß werden, dass die physikalischen Eigenschaften im Wesentlichen nur noch von der Größe und Lebensdauer dieser Schwankungen bestimmt sind und kaum von den Details der Wechselwirkung abhängen.