相転移の物理学：定義と分類

相転移（そうてんい、英語: phase transition）とは、ある系が持つ「相（phase）」が別の相へと変化する現象を指します。熱力学や統計力学において、相は特定の物理的特徴を持つ安定な状態の集合として定義されます。物質の三態（固体・液体・気体）の相互変化が最も一般的な例ですが、結晶構造の変化、磁性の変化、超伝導転移など、物性物理学における多様な状態変化も相転移に含まれます。

相転移の分類

相転移は、自由エネルギーの微分特性に基づいて分類されます。ポール・エーレンフェストによる分類法では、自由エネルギーの温度や圧力に関するn階微分が不連続となる場合をn次相転移と呼びます。

第一種相転移

第一種相転移（一次相転移）は、自由エネルギーの1階微分が不連続となる転移です。この転移では、系が転移する際に潜熱（転移熱）の出入りを伴います。固体・液体・気体間の転移（融解、凝固、蒸発、凝縮など）が代表例です。また、この転移は準安定状態（過冷却や過熱）を持つことが特徴であり、核形成が転移の引き金となります。

第二種相転移

第二種相転移（二次相転移）は、自由エネルギーの1階微分は連続ですが、2階微分（比熱や磁化率など）が不連続または発散を示す転移です。この転移では潜熱は発生しません。磁性体の常磁性-強磁性転移や超伝導転移などがこれに該当します。転移点付近で物理量が異常値を示す現象は臨界現象と総称されます。

転移点と状態量

相転移が生じる温度や圧力などの状態量の組み合わせを転移点（変態点）と呼びます。特定の物質において、これらの値は熱力学的に決定されます。例えば、液相と気相の境界線は圧力と温度の相図上で連続した線分を形成しますが、臨界点を超えると気相と液相の区別が消失し、超臨界状態となります。