二级相变
二级相变(Second order phase transition)为化学势的二阶偏微分发生突变的一类相变。相变时没有热效应和熵变,但热膨胀系数,压缩系数,比热容这三个化学势的二阶偏微分量发生突变。[1]
二級相變或稱為『二階相變』或是『連續性相變』,主要原因是,自由能(或是其他有序參數,例如磁化強度)對溫度(或其他參數,例如磁場)的變化率(一次偏微分值函數)曲線,仍然保持連續,沒有突然變化。然而前述的自由能若對溫度取到二次偏微分,即比熱對溫度的一次變化率值,其函數曲線有可能在特定溫度值,產生發散(divergence);換言之,舉例而言,經過特定溫度值時,自由能對於溫度的二次變化率,數值有突然改變時,也屬於發生相變。此處特定溫度值,即為二階相變發生的溫度值,稱為二階相變臨界溫度。[2]
定义
普通的相变(称一级相变)中的两相平衡时,两物态(例如气态和液态)的化学势相等,但两物态的偏摩尔体积和偏摩尔熵发生突变:
- 即
- 即
同时还有焓值H1≠H2;热容Cp,1≠Cp,2。故在一级相变时有焓变,熵变,自由能的变化。而发生二级相变时,既没有焓变,也没有熵变。但物质的比热容C,热膨胀系数α和压缩系数κ会发生改变:
- 即
- 即
- 即
埃伦费斯特把这种相变称为二级相变。
下圖(a)一級相變,(b)二級相變 描述熱力學改變的特性。[3]
二級相變顯示:
u化學勢對溫度的一次微分是連續的(轉變的兩側斜率是相同的),但二次微分是不連續的
u的連續斜率表示體積、焓值、熵值在轉變前後不變,而熱容量改變, 但不會增加到無限大。
实例
液氦的λ相变
氦-4的正常沸点是4.2K,减压下沸点下降。但当其沸点降至 2.17 K (−270.98 °C) 时,沸腾突然停止。测定其物理性质,压缩系数,热膨胀系数和比热容发生突变,但没有焓变和体积的变化。
下圖顯現He的λ曲線,當熱容量升高到無限大,曲線的形狀如其名為λ。 [3]
超导金属
某些金属具有一转变温度Tc,低于此温度时电阻突然消失。Tc与磁场有关,无加外磁场时这种转变没有热效应,是二级相变。