Фазовые переходы являются фундаментальным явлением в физике мягкой материи, определяющим изменение состояния системы при вариации внешних параметров, таких как температура, давление или концентрация. Сущность фазового перехода заключается в изменении симметрии и термодинамических свойств системы, сопровождающемся либо резким, либо плавным изменением макроскопических характеристик.
Для классификации фазовых переходов применяется несколько подходов, основанных на термодинамике, статистической физике и симметрийных соображениях. Ключевым инструментом является поведение свободной энергии системы и её производных по управляющим параметрам.
Первоначальная классификация фазовых переходов была предложена Паулем Эренфестом и основана на анализе порядка разрыва производных свободной энергии по управляющим параметрам.
Фазовые переходы первого рода характеризуются разрывом первой производной свободной энергии (энтропии, объёма, поляризации и других обобщённых координат). Такие переходы сопровождаются латентной теплотой, скачком плотности и часто — наличием гистерезиса. Примеры: плавление кристаллов, испарение жидкостей, переход жидкость–жидкий кристалл.
Фазовые переходы второго рода не имеют разрыва в первых производных свободной энергии, однако демонстрируют разрывы или особенности во вторых производных (теплоёмкость, сжимаемость, магнитная восприимчивость). Латентная теплота отсутствует, но наблюдаются критические флуктуации. Примеры: переход ферромагнит–парамагнит (точка Кюри), сверхпроводимость, сверхтекучесть.
Хотя классификация Эренфеста исторически значима, она имеет ограничения, так как многие реальные переходы обладают смешанными характеристиками.
Современный взгляд на фазовые переходы формируется в рамках теории критических явлений и теории Ренормгруппы. Выделяют две основные категории:
Переходы первого рода (дискретные, диссипативные):
Переходы второго рода (континуальные):
В основе классификации фазовых переходов лежит понятие параметра порядка, введённого Ландау. Параметр порядка — это макроскопическая величина, описывающая степень нарушения симметрии системы.
Переход из симметричной фазы в менее симметричную (например, из изотропной жидкости в анизотропный нематик) сопровождается возникновением ненулевого параметра порядка.
Особое внимание уделяется поведению систем вблизи критической точки. Характерными признаками критических явлений являются:
Классификация по универсальным классам основывается на:
Таким образом, жидкость в критической точке, ферромагнетик и бинарная смесь могут принадлежать одному и тому же классу универсальности.
Помимо классических переходов первого и второго рода, выделяют более тонкие разновидности:
Бесщелевые переходы (топологические): характеризуются изменением топологических свойств системы без разрыва в стандартных термодинамических величинах. Примеры: переход Березинского–Костерлица–Таулеса в двумерных системах, топологические изоляторы.
Квантовые фазовые переходы: происходят при абсолютном нуле температуры за счёт изменения квантовых флуктуаций, а не тепловых. Управляющими параметрами здесь выступают давление, магнитное поле или концентрация.
Мезофазные переходы: характерны для мягкой материи (жидкие кристаллы, коллоиды, полимеры). Они связаны с появлением промежуточных состояний с частичным порядком, что делает их особенно сложными для классификации в рамках классических схем.
Важным инструментом анализа является построение фазовых диаграмм, отображающих области устойчивости различных фаз и линии переходов.
Фазовые диаграммы мягкой материи часто отличаются сложностью, наличием множественных точек (тройные, критические, мультикритические), что отражает богатство её структурных состояний.