miniatura|upright=1.45|Aquest diagrama mostra la nomenclatura de les diferents transicions de fase. En termodinàmica, una transició de fase és la transformació d'un sistema termodinàmic d'una fase a una altra. Un exemple són els canvis d'estat (transicions entre els estats d'agregació de la matèria), encara que el concepte també es refereix a qualsevol altra transformació entre fases.

Per exemple, una fase d'un sistema termodinàmic i els estats de la matèria tenen propietats físiques uniformes. Durant una transició de fase d'un mitjà donat, unes certes propietats del mitjà canvien, sovint de manera discontínua, com a resultat del canvi d'alguna condició externa, com la temperatura, la pressió o altres. A tall d'exemple, un líquid pot convertir-se en gas en escalfar-se fins al punt d'ebullició, la qual cosa resulta en un canvi abrupte en el volum. El mesurament de les condicions externes en les quals es produeix la transformació es denomina transició de fase. Les transicions de fase comunament ocorren en la naturalesa i s'usen avui dia en moltes tecnologies.

Tipus de transició de fase Estats de la matèria miniatura|Un diagrama de fase simplificat per a aigua, que mostra si el gel sòlid, l'aigua líquida o el vapor d'aigua gasós és el més estable a diferents combinacions de temperatura i pressió. Les transicions de fase es refereixen habitualment a quan una substància es transforma entre un dels quatre estats de la matèria a un altre. En el punt de transició de fase d'una substància, per exemple el punt d'ebullició, les dues fases implicades: líquid i vapor, tenen energies lliures idèntiques i, per tant, és igual de probable que existeixin. Per sota del punt d'ebullició, el líquid és l'estat més estable dels dos, mentre que per sobre del punt d'ebullició la forma gasosa és la més estable.

Les transicions comunes entre les fases sòlida, líquida i gasosa d'un sol component, a causa dels efectes de la temperatura i/o la pressió s'identifiquen a la taula següent:

Transicions de fase de la matèria109x109pxaSòlidLíquidGasPlasmaDeSòlidFusióSublimacióLíquidSolidificacióVaporitzacióGasDeposicióDeposicióIonitzacióPlasmaRecombinació

Per a un sol component, la fase més estable a diferents temperatures i pressions es pot mostrar en un diagrama de fases. Aquest diagrama sol representar estats en equilibri. Una transició de fase sol produir-se quan la pressió o la temperatura canvia i el sistema travessa d'una regió a una altra, com l'aigua que passa de líquid a sòlid tan aviat com la temperatura baixa per sota del punt de congelació. A excepció del cas habitual, de vegades és possible canviar l'estat d'un sistema diabàtic (en contraposició a adiabàtic) de manera que es pugui superar el punt de transició d'una fase sense patir una transició de fase. L'estat resultant és metaestable, és a dir, menys estable que la fase a la qual s'hauria produït la transició, però tampoc inestable. Això passa en sobreescalfament i sobrerefrigeració, per exemple. Els estats metaestables no apareixen als diagrames de fase habituals.

Exemples de transicions de fase Canvis d'estat: Transicions entre els estats d'agregació de la matèria: sòlid, líquid, gas i plasma, en una substància. Una transformació eutéctica, en la qual els dos components de la mescla canvien d'estat d'agregació. La transició entre les fases ferromagnètica i paramagnética. L'aparició de superconductivitat en alguns metalls, per sota de la temperatura crítica. La transició entre algunes estructures moleculars, o entre algunes estructures cristalográfiques. La condensació de Bose-Einstein. En els primers instants de l'univers, ruptura de simetries en les lleis físiques a mesura que es refreda l'univers: Ruptura de la gran unificació. Separació força feble-força electromagnètica. En l'univers primitiu: Desacoblament dels neutrins. Nucleosíntesi Desacoblament radiació-matèria.

Fonaments Els sistemes termodinàmics estan caracteritzats, entre altres paràmetres, per un paràmetre d'ordre. Aquest paràmetre d'ordre depèn de diversos factors. Per exemple, per regla general, augmenta (sistema més ordenat) a mesura que descendeix la temperatura. Aquesta dependència és deguda al fet que les forces de cohesió prevalen sobre el moviment tèrmic, a mesura que aquest disminueix.

En l'equilibri cada fase té unes propietats termodinàmiques definides, com el paràmetre d'ordre. En la coexistència, les fases poden intercanviar energia i matèria, per la qual cosa en l'equilibri els potencials químics de les diferents fases són iguals. Per tant, en una transició de fase han de canviar contínuament tant el potencial de Gibbs G, com .

Relació amb la grandària del sistema Les transicions de fase ocorren quan l'energia lliure d'un sistema no és una funció analítica, amb relació a algunes variables termodinàmiques. Això succeeix en sistemes amb un gran nombre de partícules.

Classificació Les transicions es classifiquen segons la continuïtat de les derivades del potencial de Gibbs G:

Transicions de fase de primer ordre: La primera derivada de G és discontínua. Solen caracteritzar-se per l'existència de calor latent: En la transició, el sistema absorbeix o allibera una quantitat d'energia proporcional a la seva mida. Durant aquest procés, la temperatura del sistema roman constant malgrat la transmissió de calor. Com l'energia no es pot transmetre instantàniament, durant la transició coexisteixen regions o dominis amb diferents fases.

Per a valors dels paràmetres suficientment propers a la coexistència de fases, l'energia interna G respecte a un paràmetre no natural presenta dos mínims: un de global que caracteritza l'estat estable, i un altre de local que caracteritza un estat metaestable. El sistema en equilibri es troba en l'estat estable, però una pertorbació suficient pot dur un subsistema a l'estat metaestable. No obstant això, una pertorbació menor el retornarà l'estat estable. En la coexistència de fases, els dos mínims tenen el mateix valor. A cada mínim li correspon un valor determinat del paràmetre d'ordre, per això la coexistència de fases.

Exemple de transicions de primer ordre són els canvis d'estat: L'evaporació, liqüefacció, fusió, ebullició o la sublimació.

Transicions de fase d'ordre superior o contínues: La primera derivada de G és contínua. No tenen associat una calor latent. En les transicions de segon ordre la segona derivada de G és discontínua.

Exemples d'ordre superior són la transició ferromagnètica-paramagnética o la condensació de Bose-Einstein.

Propietats característiques Coexistència de fase Es produeix una transició de primer ordre ampliada pel desordre en un interval finit de temperatures en les quals la fracció de la fase d'equilibri a baixa temperatura creix de zero a un (100%) a mesura que la temperatura descendeix. Aquesta variació contínua de les fraccions coexistents amb la temperatura genera interessants possibilitats. En refredar-se, alguns líquids es vitrifiquen en un vidre en lloc de transformar-se a la fase cristal·lina d'equilibri. Això succeeix si la velocitat de refredament és més ràpida que una velocitat de refredament crítica, i s'atribueix al fet que els moviments moleculars es tornen tan lents que les molècules no poden reorganitzar-se en les posicions del cristall. Aquesta desacceleració ocorre per sota d'una temperatura de formació de vidre Tg, que pot dependre de la pressió aplicada. Si la transició de congelació de primer ordre es produeix en un interval de temperatures i la Tg cau dins d'aquest interval, existeix una possibilitat interessant que la transició es detingui quan és parcial i incompleta. Estendre aquestes idees a transicions magnètiques de primer ordre detingudes a baixes temperatures, va donar com a resultat l'observació de transicions magnètiques incompletes, amb dues fases magnètiques coexistint, fins a la temperatura més baixa. Primer reportat en el cas d'una transició ferromagnètica a antitransromagnètica, tal coexistència de fase persistent ara s'ha reportat a través d'una varietat de transicions magnètiques de primer ordre. Aquests inclouen materials de manganita de magnetorresistència colossal, materials magnetocalòrics, materials de memòria de manera magnètica i altres materials. La característica interessant d'aquestes observacions de la Tg que cau dins de l'interval de temperatura en el qual es produeix la transició és que la transició magnètica de primer ordre està influenciada pel camp magnètic, igual que la transició estructural està influenciada per la pressió. La relativa facilitat amb la qual es poden controlar els camps magnètics, en contrast amb la pressió, planteja la possibilitat que un pugui estudiar la interacció entre Tg i Tc d'una manera exhaustiva. La coexistència de fase a través de transicions magnètiques de primer ordre permetrà la resolució de problemes excel·lents en la comprensió dels vidres.

Punt crític El pas d'una transició d'un ordre a un altre pot tenir lloc en un sistema, això es produeix en el punt crític. Per exemple, amb relació als estats d'agregació de la matèria, per a un sistema donat, hi ha una combinació de valors de pressió i temperatura (anomenada punt crític), a partir de la qual la transició de líquid a gas passa a ser una transició de segon ordre. En aquest punt, les densitats del líquid i del gas s'igualen.

Simetria Les transicions de fase sovint impliquen un procés de simetria trencada. Per exemple, el refredament d'un fluid en un sòlid cristal·lí trenca la simetria de translació contínua: cada punt en el fluid té les mateixes propietats, però cada punt en un cristall no té les mateixes propietats (tret que els punts es triïn entre els punts de la xarxa cristal·lina). Típicament, la fase d'alta temperatura conté més simetries que la fase de baixa temperatura a causa de la ruptura espontània de simetria, amb l'excepció d'unes certes simetries accidentals (per exemple, la formació de partícules virtuals pesades, que només ocorre a baixes temperatures).

Paràmetres d'ordre Un paràmetre d'ordre és una mesura del grau d'ordre a través dels límits en un sistema de transició de fase; normalment oscil·la entre zero en una fase (generalment per sobre del punt crític) i distint de zero en l'altra fase. En el punt crític, la susceptibilitat dels paràmetres d'ordre generalment divergirà.

Un exemple d'un paràmetre d'ordre és la magnetització neta en un sistema ferromagnètic que experimenta una transició de fase. Per a les transicions de líquid/gas, el paràmetre d'ordre és la diferència de les densitats.

Des d'una perspectiva teòrica, els paràmetres d'ordre sorgeixen de la ruptura de simetria. Quan això succeeix, és necessari introduir una o més variables addicionals per a descriure l'estat del sistema. Per exemple, en la fase ferromagnètica, s'ha de proporcionar la magnetització neta, la direcció de la qual es va triar espontàniament quan el sistema es va refredar per sota del punt de Curie. No obstant això, tenint en compte que els paràmetres d'ordre també es poden definir per a transicions que no trenquen la simetria. Algunes transicions de fase, com la superconductora i la ferromagnètica, poden tenir paràmetres d'ordre per a més d'un grau de llibertat. En tals fases, el paràmetre d'ordre pot prendre la forma d'un nombre complex, un vector o fins i tot un tensor, la magnitud del qual va a zero en la transició de fase.

També existeixen descripcions duals de transicions de fase en termes de paràmetres de desordre. Aquests indiquen la presència d'excitacions tipus línia, com a línies de vòrtex o defecte topològic.

Rellevància en cosmologia