Faasimuutos

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Faasimuutos eli faasitransitio on epäjatkuvuuskohta aineen käyttäytymistä kuvaavissa yhtälöissä. Faasimuutoksia ovat mm. olomuodon muutokset, aineen liukeneminen ja eräät muut tapahtumat.

Termodynamiikassa faasimuutokseen liittyy aina yhden tai useamman fysikaalisen suureen äkillinen muutos pienen lämpötilan muutoksen seurauksena. Erityisesti lämpökapasiteetti on tällainen muuttuva suure. Faasimuutos on aina reversiibeli, eli muutos voi tapahtua kumpaan suuntaan tahansa ja aine voi palautua alkuperäiseen olomuotoonsa. Yleensä faasimuutoksella tarkoitetaan muutosta kiinteän, nesteen, ja kaasumaisen olomuodon välillä.

Faasimuutoksia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Joskus on mahdollista muuttaa lämpötilaa niin nopeasti, että faasimuutos ei pääse käynnistymään. Täten saadaan aikaan esimerkiksi alijäähtynyttä vettä. Tällöin vesi on nestemäisessä olomuodossa, vaikka lämpötila on alle sen sulamispisteen. Tällainen faasi on metastabiili ja faasimuutos saattaa käynnistyä yllättäen.

Luokittelu[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Modernissa statistisessa fysiikassa faasitransitiot luokitellaan joko epäjatkuviksi tai jatkuviksi riippuen siitä, liittyykö muutokseen latenttilämpöä vai ei. Hieman vanhanaikaisemman Ehrenfest-luokittelun mukaan terminen faasitransitio on kertalukua n, mikäli vapaan energian n:s derivaatta jonkin termodynaamisen muuttujan suhteen on epäjatkuva. Tämän luokittelun mukaan esimerkiksi neste-kaasu-faasitransitio on ensimmäistä kertalukua, sillä tiheys (vapaan energian derivaatta kemiallisen potentiaalin suhteen) on muutoksessa epäjatkuva. Sen sijaan ferromagneettinen transitio on toista kertalukua, sillä suskeptiivisuus (vapaan energian toinen derivaatta ulkoisen magneettikentän suhteen) on muutoksessa epäjatkuva.

Jatkuvien faasitransitioiden teoria on hyvin tärkeässä osassa modernissa statistisessa fysiikassa, koska transitiopisteen lähettyvillä materiaalilla on monia ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten skaalainvarianssi (kritikaalisuus). Yksinkertaistettuna kritikaalisuus tarkoittaa, että systeemi "näyttää samalta" kaikilla pituusskaaloilla. Kritikaalisuudesta seuraa, että mikroskooppisesti hyvin erilaiset systeemit voivat käyttäytyä identtisellä tavalla faasitransition lähettyvillä. Jatkuvat faasitransitiot jaetaan universaliteettiluokkiin sen mukaan, mitä arvoja ns. kriittiset eksponentit saavat faasitransitiopisteessä. Kenties tärkein menetelmä kriittisten eksponenttien laskemiseen on renormalisaatioryhmä, jonka sovelluksista faasitransitioiden teoriassa Kenneth G. Wilson sai fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1982.

Käytännön esimerkki ensimmäisen kertaluvun faasimuutoksesta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Jääpala on kattilassa, jota lämmitetään liedellä.

  • Jääpalan lämpötila nousee, kunnes saavuttaa lämpötilan 0 °C ja osa jääpalasta sulaa.
  • Veden lämpötila on 0 °C niin kauan kuin sulamatonta jäätä on jäljellä. Liedestä siirtyvä energia kuluu jään sulamiseen.
  • Kun jääpala on täysin sulanut, liedestä vapautuva energia lämmittää vettä, kunnes veden lämpötila saavuttaa 100 °C, jolloin vesi alkaa höyrystyä.
  • Veden lämpötila pysyy sadassa asteessa, liedestä siirtyvä energia kuluu veden höyrystymiseen.

Faasimuutoksen käyttöjä teknologiassa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Faasimuutos fiktiivisessä kirjallisuudessa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kurt Vonnegutin romaanissa Kissan kehto veden faasimuutos on keskeinen teema. Elämä maapallolla mullistuu, kun tieteilijä kehittää veden faasin, joka jäätyy lämpötilassa +45,8 °C.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]