2-12相転移

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    相転移
    相とは何か
     氷の温度を上げて行くと、あるところで溶け始めて水に変わる。 さらに温度を上げて行くと、あるところでいきなり気体に変わる。 このように、物質の体積や密度やその他の性質が急激に変わるところがあると、その変化の前後を別のものとして区別することができる。 水蒸気と水とは、急激に変化するからお互いを区別できるのである。 もしじわじわと変化したなら区別する基準が見付からないだろう。 この区別を「相」と呼ぶ。
     しかしこの説明では相の定義としては穴だらけである。 相の変化は温度だけが原因で起こるのでもないし、時間的変化の前後だけで区別するようなものでもない。 同じ環境に2つ以上の相が同時に存在していて、その境目で区別する事だって出来る。 だから、次のように言い直せばまだましになるだろうか。
     「密度や組成、その他の性質が均質な領域があって、他の同様な領域との間に、それぞれの性質の違いによって両者を区別できるはっきりとした境界があるとき、それぞれの部分を相と言う。」
     だいたい、このようなものだ。 他にいい表現があるようなら各自で考えてみて欲しい。
     物質には基本的に「固相」「液相」「気相」の3つの区別がある。 これらの言葉は何となく分かってもらえるだろうと思って、これまで説明もなしに使ってきた。 しかし日常ではあまり意識はされないが、相はこれ以外にもある。
     物質を非常に低い温度まで冷やしていくとあるところで突然、超伝導の性質を示すところがあるので、この前後を「常伝導相」「超伝導相」と呼んで区別できる。 また磁性体の温度を上げていくとキュリー点と呼ばれる温度を境にして突然磁力を失うという現象もある。 合金も温度によって成分が分離したり、均等に混じり合ったりして色々な相を作る。 温度や圧力などの条件によって結晶構造が突然変わったりするのである。 氷の結晶構造にも温度や圧力によって10種類ほどの相があるのが知られている。
     (参考:以下のページに氷の相図があります。) http://www.sci.osaka-cu.ac.jp/phys/crys/ice/lect6.html
     このように物質がその物理量の不連続変化を起こす現象を「相転移」と呼ぶ。
    相転移の種類
     相転移の性質を分類するためにギブスの自由エネルギー G が利用される。 G は p と T の関数であり、圧力や温度は実験的に操作し易いという理由だろう。
     G の1階微分が不連続を起こす相転移を「第1種の相転移」または「1次相転移」と呼んでいる。 G の微分と言えば、次のように p か T で微分する以外にない。
    (∂G/∂p) = V (∂G/∂T) = -S
     要するに1次相転移とは体積あるいはエントロピーの不連続変化が起こる現象のことである。 体積変化が起きるのは密度が変化するのと同じことである。 水が蒸気になるときに約1700倍に膨らむとか、ごく普通に見られる現象だ。 密度の不連続変化は 過熱や過冷却 などといった現象の原因になっている。
     またエントロピーがある一定温度で不連続に変化する事は、熱エネルギーの吸収、発散に対応している。 融解熱や気化熱として観察される現象のことである。 これらの熱をまとめて「潜熱」と呼んだりもする。 融解や気化の時に熱を外界から吸収するとその分だけエントロピーは高くなるし、液化、凝固の時には熱を放出するのでエントロピーは低くなる。  ここで潜熱の正体がエントロピーを使って説明できるようになったのだと錯覚してはいけない。

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    相転移
    相とは何か
     氷の温度を上げて行くと、あるところで溶け始めて水に変わる。 さらに温度を上げて行くと、あるところでいきなり気体に変わる。 このように、物質の体積や密度やその他の性質が急激に変わるところがあると、その変化の前後を別のものとして区別することができる。 水蒸気と水とは、急激に変化するからお互いを区別できるのである。 もしじわじわと変化したなら区別する基準が見付からないだろう。 この区別を「相」と呼ぶ。
     しかしこの説明では相の定義としては穴だらけである。 相の変化は温度だけが原因で起こるのでもないし、時間的変化の前後だけで区別するようなものでもない。 同じ環境に2つ以上の相が同時に存在していて、その境目で区別する事だって出来る。 だから、次のように言い直せばまだましになるだろうか。
     「密度や組成、その他の性質が均質な領域があって、他の同様な領域との間に、それぞれの性質の違いによって両者を区別できるはっきりとした境界があるとき、それぞれの部分を相と言う。」
     だいたい、このようなものだ。 他にいい表現があるようなら各自で考えてみて欲しい。
     物質には基本的に「固..

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