§ 4.18 Фазовые переходы 1-го и 2-го рода

§ 4.18 Фазовые переходы 1-го и 2-го рода

Я полагаю, что следует ввести в физику понятия симметрии, столь привычные для кристаллографов.

П. Кюри, "О симметрии физических явлений", 1894 г.

Эти исследования, если бы они были продолжены П. Кюри, могли бы, вероятно, иметь для развития естествознания в целом немногим меньшее значение, чем работы по радиоактивности для развития физики и химии.

А.В. Шубников [164]

В качестве одного из свидетельств в пользу квантовой физики, приводят, порой, экзотические фазовые переходы второго рода. Напомним, что "фазовыми переходами первого рода" называют агрегатные превращения вещества, идущие с выделением или поглощением энергии. В них скачком меняется в точке перехода плотность, теплоёмкость и другие параметры физического тела. Другое дело, — фазовые переходы второго рода — они происходят без выделения скрытой теплоты, а характеристики вещества в точке перехода меняются плавно, непрерывно. К фазовым переходам второго рода относят переходы ферромагнетик-парамагнетик, проводник-сверхпроводник, нормальный-сверхтекучий гелий и другие, кажущиеся сверхъестественными, с позиций классической физики, превращения. Поэтому, и объяснить их якобы можно — лишь с позиций квантовой физики. Но, на самом деле, как покажем далее, фазовые переходы второго рода не отличаются особо от первого и объясняются целиком в рамках классической физики и представляют собой лишь более сложные превращения вещества, которые, в действительности, — тоже сопровождаются выделением и поглощением тепла.

Более того, выделение и поглощение тепла в этих переходах — обязательно. Совершенно так же, как для переходов первого рода, такое тепловыделение следует из законов термодинамики. Ведь любой фазовый переход подразумевает перестройку атомов вещества. При понижении температуры вещество переходит в энергетически более выгодное состояние, уменьшает свою внутреннюю энергию. Вот почему, эта избыточная энергия выделяется и её необходимо отводить, чтобы перевести вещество из одного состояния в другое. Так, при кристаллизации, атомы выстраиваются в правильном порядке, что уменьшает энтропию соединения и потенциальную энергию взаимодействия атомов. Эта энергия и выделяется в форме скрытой теплоты кристаллизации. То же самое происходит, в действительности, и в фазовых переходах второго рода, скажем, — при переходе парамагнетик-ферромагнетик. Там переход происходит без перестройки взаимного положения частиц, именно поэтому фазовые переходы второго рода не сопровождаются изменением плотности и объёма. Однако, этот переход сопровождается глубокими внутренними перестройками структуры вещества.

Так, при образовании ферромагнетика магнитные моменты электронов выстраиваются параллельно друг другу. То есть, происходит упорядочивание, но не положений частиц, а их ориентаций в пространстве. А упорядочение неизбежно сопровождается снижением энтропии, энергии взаимодействия, тоже выделяемой в форме тепла (при обратном переходе тепло поглощается, на чём основан принцип магнитного охлаждения). И, хотя считают, что фазовые переходы происходят без отдачи теплоты, и что этим они существенно отличаются от фазовых переходов первого рода, реально они, как покажем далее, выделяют скрытое тепло ничуть не хуже. Тем самым, устраняется принципиальное различие между фазовыми переходами первого и второго родов, а, значит, рушатся все представления об исключительности переходов 2-го рода, и становится бессмысленной и ненужной вся их феноменологическая теория, построенная Л. Ландау и В. Гинзбургом, во многом, — на базе квантового подхода. В действительности, фазовые переходы первого и второго рода — совершенно симметричны, подобны, имея одинаковую классическую природу. Разница у них не принципиальная, а количественная, и заключается она в ширине температурного интервала, в пределах которого происходит фазовый переход.

Правильную теорию фазовых переходов второго рода и их связи со степенью симметрии начал развивать ещё Пьер Кюри, как специалист по физической химии, основательно изучивший кристаллы и переход парамагнетик-ферромагнетик. Однако ранняя трагическая смерть помешала Кюри закончить эту грандиозную классическую работу, важную роль которой отмечал наш выдающийся кристаллограф А.В. Шубников [156]. Примечательно, что его однофамилец и современник Л.В. Шубников (по вине Ландау погибший ещё более рано и трагично, чем Кюри) был пионером советской физики низких температур и основателем передовой отечественной криогенной лаборатории, исследователем сверхпроводимости, магнетизма, фазовых переходов второго рода, кристаллов и процесса кристаллизации, что ещё раз отражает их тесную связь. Далее рассмотрим подробнее некоторые из переходов второго рода.