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Phasenübergang
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Ein Phasenübergang ist ein vor allem in der Thermodynamik und Statistischen Mechanik benutzter Begriff, um abrupte Veränderungen von einer oder mehreren physikalischen Eigenschaften eines Materials oder Systems bei nur geringen Veränderungen der Außenbedingungen zu beschreiben. Man spricht von den unterschiedlichen Phasen oder Aggregatzuständen eines Materials, die am Phasenübergang ineinander übergehen. Zur Darstellung der Phasenübergänge eines Stoffes verwendet man Phasendiagramme, wobei die thermodynamischen Bedingungen während eines Phasenüberganges als Phasengrenzlinien bezeichnet werden.
Man unterscheidet Phasenübergänge erster Ordnung, an denen latente Wärme beteiligt ist und kontinuierliche Phasenübergänge.
Beispielsweise ist reines Wasser bei Normaldruck und einer Temperatur von Null Grad Celsius, also an seinem Schmelzpunkt, entweder eine Flüssigkeit oder ein Feststoff. Zur Überführung vom festen in den flüssigen Zustand muss zusätzlich Wärmeenergie (in Form von latenter Wärme) zugeführt werden, ohne dass es zu einer tatsächlichen Temperaturerhöhung kommt. Das Schmelzen von Eis ist also ein Phasenübergang erster Ordnung.
Ein ferromagnetischer Stoff verliert hingegen ab einer kritischen Temperatur (der Curie-Temperatur) seine ferromagnetischen Eigenschaften und wird paramagnetisch, ohne dass zusätzliche Energie zugeführt werden muss. Hierbei handelt es sich also um einen kontinuierlichen Phasenübergang.
Beispiele für Phasenübergänge sind:
- Durch Temperatur- oder Druckänderung verursachte Änderungen des Aggregatzustandes eines Stoffes, also das
- Schmelzen (Übergang von fest zu flüssig)
- Verdampfen (Übergang von flüssig zu gasförmig)
- Sublimieren (Übergang von fest zu gasförmig)
- Erstarren oder auch Gefrieren (Übergang von flüssig zu fest)
- Kondensieren (Übergang von gasförmig zu flüssig)
- Resublimieren (Übergang von gasförmig zu fest)
- Weitere charakteristische Phasenübergangspunkte sind der Tripelpunkt und der kritische Punkt
- Wechsel der Modifikation
- Wechsel zwischen ferro- und paramagnetischem Verhalten ab der Curie-Temperatur
bzw.
- Wechsel zwischen ferro- und dielektrischem Verhalten ab der Curie-Temperatur
- in der Hochenergiephysik: Entstehung von Quark-Gluon-Plasma bei hohen Temperaturen und Drücken
- Übergang zur Suprafluidität
Unterschiedliche Phasen besitzen oft unterschiedliche Symmetrien, weshalb Phasenübergänge oft auch mit Symmetriebrüchen einher gehen.
Als unzutreffend hat sich die von Paul Ehrenfest stammende Unterscheidung zwischen Phasenübergängen erster, zweiter, dritter Ordnung usw. herausgestellt, abhängig davon ob die erste zweite oder höhere partielle Ableitung eines thermodynamischen Potentials unstetig ist. Die Ehrenfest-Klassifikation beruht auf der Mean Field Theorie, die thermische Fluktuationen nicht berücksichtigt. Diese sind jedoch in der Umgebung des kritischen Punktes nicht vernachlässigbar.
Kenneth G. Wilson erhielt 1982 den Nobelpreis für seine bahnbrechende Arbeit über kritische Phänomene am kritischen Punkt (früher: Phasenübergang zweiter Ordnung). Er gilt als Pionier der Renormierungsgruppentheorie, die heute in vielen Bereichen der Physik Anwendung findet.
