15.2. Классификация фазовых переходов по Эренфесту

Многочисленные экспериментальные исследования показали, что все фазовые превращения сопровождаются скачкообразными изменениями каких-либо макроскопических величин, характеризующих свойства вещества. При теоретическом рассмотрении выяснилось, что эти параметры могут быть выражены через частные производные первого и второго порядка от удельного термодинамического потенциала Гиббса .

Это обстоятельство было положено в основу классификации фазовых переходов, предложенной П.Эренфестом в 1933 году.

Фазовые переходы, при которых первые производные удельного термодинамического потенциала меняются скачкообразно, называются фазовыми переходами первого рода.

Фазовые переходы, при которых первые производные функции остаются непрерывными, а вторые производные меняются скачкообразно, называются фазовыми переходами второго рода.

Как уже отмечалось, за каждой абстрактной производной термодинамического потенциала Гиббса стоит хорошо измеряемый макроскопический параметр вещества. Проследим, как проявляется это соответствие для фазовых переходов первого и второго рода.

Фазовые переходы первого рода

Согласно уравнениям (12.22) и (12.23)

Поэтому фазовые превращения первого рода сопровождаются скачкообразными изменениями либо удельной энтропии , либо удельного объема, либо обеих этих величин вместе. Скачок удельной энтропии означает, что фазовый переход происходит с выделением или поглощением количества теплоты. Сама величина скачка удельной энтропии равна

где – температура фазового перехода. В зависимости от вида фазового превращения удельную теплоту фазового перехода называют либо теплотой кристаллизации, либо теплотой возгонки, либо теплотой испарения и т.п. Скачок удельного объемаозначает, что плотности разных фаз вещества различаются между собой:. В литературе фазовые переходы первого рода называются так же прерывными превращениями [1].

Фазовые переходы второго рода

При фазовых превращениях второго рода претерпевают разрыв все или некоторые вторые производные , такие как

Каждой из этих производных соответствует физическая величина, которая может меняться скачком, при фазовом переходе второго рода, это

• удельная теплоемкость ;

• термический коэффициент объемного расширения ;

• термический коэффициент сжатия вещества

В литературе фазовые переходы второго рода называются также непрерывными превращениями или - переходами Последнее название появилось потому, что в окрестности температуры фазового перехода график зависимости удельной теплоемкостиот температуры напоминает греческую букву. Температуру непрерывного фазового перехода, зависящую от давления, называют-точкой или точкой Кюри.

Точкой Кюри обычно называют температуру превращения ферромагнетика в парамагнетик, сегнетоэлектрика в диэлектрик, сверхпроводника в проводник. Перечисленные переходы изучаются в курсе «Электричество и магнетизм». Теория фазовых переходов второго рода до настоящего времени находится в стадии разработки, в ней ещё достаточно «белых» пятен. В качестве примера непрерывного перехода мы рассмотрим в 15.5 сверхтекучий переход в жидком гелии. Ближайшее рассмотрение вопросов будет ограничено фазовыми переходами первого рода.