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相転移とは?

そうてんい

物質が温度・圧力などの変化によって固体液体・気体などの相(状態)を変える現象です。

転移とは、物質が温度・圧力・組成などの外部条件の変化に伴い、その熱力学的な状態)が別の相へと変わる現象の総称です。固体液体気体(気相)の三態変化が最も身近な例ですが、それ以外にも多様な相転移が存在します。

相転移は熱力学的分類によって大きく2種類に分けられます。

  • 一次相転移:融解・蒸発・凝固・凝縮など、転移点で潜熱(エンタルピー変化)を伴い、体積が不連続に変化するもの。
  • 二次相転移(連続相転移):潜熱を伴わず、秩序パラメーターが連続的に変化するもの(例:強磁性–常磁性転移(キュリー点)、超伝導転移、液晶の相転移)。

相転移は日常生活から最先端技術まで幅広く関わっています。冷却で水が氷になる(融解の逆)のは典型例ですが、液晶ディスプレイは液晶分子が電場によって光学的性質の異なる相へ転移する現象を利用しています。また超伝導体の転移温度(臨界温度)を超えると電気抵抗がゼロになるのも二次相転移の一例です。

素粒子物理学では宇宙誕生直後のビッグバン後に起きた相転移(電弱相転移など)が現在の宇宙の構造を決定したと考えられており、相転移の概念は広大なスケールで物理学の中心的な概念となっています。

使い方・例文

水が0℃で氷になる(凝固)、100℃で水蒸気になる(沸騰)という日常的な現象や、液晶テレビが温度や電圧によって表示状態を変える仕組みを説明する文脈で「相転移」が登場します。

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