Teoria przejść fazowych – dziedzina fizyki znajdująca się na pograniczu termodynamiki fenomenologicznej, fizyki materiałowej, chemii fizycznej, teorii pola. Jest to dziedzina zajmująca się doświadczalnym i teoretycznym opisem tak zwanych zjawisk krytycznych zachodzących podczas przejść fazowych.

Zjawiska te mają swoja wyraźną specyfikę, zaś do opisu wymagają rozwinięcia swoistych narzędzi matematycznych takich, jak teoria grupy renormalizacji. Także badania doświadczalne przejść fazowych wobec czułości tych zjawisk na stan otoczenia wymagają specyficznego podejścia w planowaniu eksperymentów i ich przeprowadzaniu. Podstawową zasadą, która konstytuuje tę dziedzinę fizyki jako samodzielny obszar badawczy jest fakt, że:

co jest treścią hipotezy uniwersalności opisu przejść fazowych.

W szczególności uniwersalne, czyli niezależne od materiału w którym dochodzi do przejścia fazowego, są wykładniki krytyczne czyli stopnie nieciągłości pochodnych funkcji stanu materiału. Wynika z tego, że w analizie przejść fazowych zupełnie nie maja znaczenia szczegóły budowy substancji, jej skład chemiczny czy nawet detale dotyczące oddziaływań pomiędzy różnymi mikroskopowymi fragmentami układu.

Przejścia fazowe – opis fenomenologiczny

Fenomenologiczny opis własności termodynamicznych układu rozpoczyna się zwykle od podania funkcjonału entalpii swobodnej układu G. Postać tej funkcji dla skomplikowanego układu termodynamicznego jest w teorii wynikiem uśrednienia przeprowadzonego dla skal mikroskopowych w ramach opisu układu za pomocą zespołów statystycznych. Jednak w praktyce funkcjonał G konstruuje się w oparciu o zasady symetrii.

Aby podać jego jawną postać, należy wybrać zmienną dynamiczną, która będzie opisywała zachowanie się układu. W ramach teorii przejść fazowych, typowym wyborem jest tak zwany parametr porządku, który wybierany jest w taki sposób, aby w fazie o mniejszej entropii miał niższe wartości niż w fazie o entropii większej. I tak dla układów magnetycznych (na przykład dla ferromagnetyka) typowym wyborem jest średnia magnetyzacja na jednostkę objętości. Dla cieczy (na przykład podczas analizy krzepnięcia – topienia) typowym i naturalnym wyborem jest jej średnia gęstość. Dla nadprzewodników parametrem porządku jest funkcja falowa pary Coopera, co prowadzi do wielkości zespolonej o dwóch składowych rzeczywistych, zaś dla ciekłych kryształów cholesterolowych wybiera się tensorowy parametr porządku, opisującym skręcenie wersorów w płaszczyznach przejawiających uporządkowanie typu nematycznego.

Entalpia swobodna G jest ciągłą funkcją parametrów w niej występujących, to jest parametru porządku, pól zewnętrznych i temperatury. Jak się jednak okazuje, w punkcie przejścia fazowego ma ona nieokreśloną pochodną, czyli sama funkcja G posiada punkt osobliwy w postaci np. ostrza. Zwykle przejścia fazowe analizuje się w funkcji temperatury, jest to jednak modelowe uproszczenie. Role parametru kontrolnego może pełnić bowiem zarówno temperatura jak pole magnetyczne, stężenie składników i inne.