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有序-无序相变

/order-disorder transition/
条目作者卢海舟

卢海舟

最后更新 2022-01-20
浏览 178
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在凝聚态物理范围,由大量粒子组成的系统,从一种内部有序的状态转变成一种内部无序的过程。

英文名称
order-disorder transition
所属学科
物理学

如对冰块加热,冰将变成水,这个转变过程破坏了冰块中有序的原子排列。对磁化了的铁加热,当温度超过居里温度时会发生铁磁态到顺磁态的转变,这个过程破坏了原有的磁序。

“有序”和“无序”分别对应着一个多粒子系统的对称性或关联性的有无。一般,系统的有序可以分为位置有序、取向有序以及与电子或粒子自旋有关的有序。

位置序是最明显的一种序。在由大量原子组成的经典系统中,不同原子之间存在着相互关联。如果这种关联范围无限大,系统则倾向于一种长程有序状态,如晶体中原子的周期性排布;如果这种关联仅限于邻近的一些原子,系统则倾向于一种短程有序状态;如果各原子之间没有关联,各个原子的位置随机分布,系统则处于无位置序状态,如气体。

若系统由各向异性的分子构成,分子的取向也变得重要了,这种序称为取向序。如液晶中的分子取向。

具有自旋的粒子组成的系统中还存在与自旋有关的序。如不同粒子的自旋态呈周期性的排布会导致铁磁体或反铁磁体,而在顺磁体中不同粒子的自旋态随机分布。

有序-无序相变可按热力学理论来加以理解。原则上来讲,一个多粒子组成的体系可以有非常多的状态,但使得体系的自由能或吉布斯自由能最低的那个态才是它的稳定平衡态。自由能和吉布斯自由能的定义分别是。式中分别为系统的内能、绝对温度、熵(反映系统混乱度的量)、压强和体积。一般,相变的发生是内能项与熵项相互竞争的结果。一方面,粒子间的相互作用使得系统的内能降低,倾向有序化;另一方面,温度和熵的增加也可使自由能下降,而熵增加意味着系统的无序度增加,倾向无序化。

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