Ein Phasenübergang ist ein in der Thermodynamik und Statistischer Mechanik benutzter Begriff, um abrupte Veränderungen der 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.

Die bekanntesten Phasenübergänge treten beim Schmelzen und Verdampfen von Materialien auf. Beispielsweise ist reines Wasser bei Normaldruck und einer Temperatur von Null Grad Celsius, also an seinem Schmelzpunkt, entweder eine Flüssigkeit oder ein Feststoff. Am Siedepunkt bei 100 °C liegt es hingegen in flüssiger oder gasförmiger Form vor. Weitere charakteristische Phasenübergangspunkte sind der Tripelpunkt und der kritische Punkt.

Die Materialeigenschaften sind sehr verschieden, obwohl die Außenbedingungen identisch sind. Weitere Phasenübergänge sind Kondensieren und Erstarren (Gefrieren), Sublimation und Resublimation. Auch bei einem Wechsel der Modifikation handelt es sich um einen Phasenübergang.

Andere Beispiele sind magnetisierbare Materialien, die in einer neutralen und in einer magnetisierten Phase vorliegen können, wobei hier die Temperatur und das äußere Magnetfeld das innere Verhalten des Materials bestimmen.

Auch in der Hochenergiephysik treten Phasenübergänge auf. Bei hohen Temperaturen und Drücken entsteht aus Nukleonen ein Quark-Gluon-Plasma.

Man unterscheidet Phasenübergänge erster Ordnung und kontinuierliche Phasenübergänge, je nachdem, ob am Phasenübergang Latente Wärme auftritt oder nicht.

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 Phasenübergang. Er gilt als der Entdecker der Renormierungstheorie, die heute in vielen Bereichen der Physik Anwendung findet.

Siehe auch: Van-der-Waals-Gleichung, Chaostheorie, Komplexe Systeme, Siedeverzug, Unterkühlung, Übersättigung

Thermodynamik

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