Ein Phasenübergang ist ein physikalischer Prozess, bei dem ein Stoff seine physikalische Phase oder seinen Aggregatzustand ändert. Diese Übergänge treten auf, wenn bestimmte physikalische Bedingungen wie Temperatur, Druck oder das äußere Magnetfeld geändert werden. Klassische Beispiele für Phasenübergänge sind das Schmelzen von Eis zu Wasser, das Verdampfen von Wasser zu Dampf oder das Gefrieren von Wasser zu Eis. Im Allgemeinen lassen sich Stoffe in festen, flüssigen und gasförmigen Aggregatzuständen finden, aber es gibt auch komplexere Phasen wie Plasma, Bose-Einstein-Kondensate, supraflüssige und supraleitende Zustände, die ebenfalls Phasenübergänge aufweisen können.

Phasenübergänge werden traditionell in zwei Hauptkategorien unterteilt: Phasenübergänge erster Ordnung und Phasenübergänge zweiter Ordnung. Bei Phasenübergängen erster Ordnung, wie dem Schmelzen oder Sieden, gibt es eine diskontinuierliche Änderung der ersten Ableitung der freien Energie nach der Temperatur oder dem Druck. Dies äußert sich in einer sprunghaften Änderung von Eigenschaften wie der Dichte oder der Entropie. Charakteristisch für diese Übergänge ist die Aufnahme oder Freisetzung von latenter Wärme, der sogenannten Umwandlungsenthalpie, während der Übergangstemperatur, obwohl die Temperatur des Systems konstant bleibt. Ein Gemisch aus beiden Phasen, zum Beispiel Wasser und Eis bei 0°C, kann während des Übergangs koexistieren.

Phasenübergänge zweiter Ordnung hingegen zeigen keine latente Wärme. Bei diesen Übergängen sind die ersten Ableitungen der freien Energie kontinuierlich, aber die zweiten Ableitungen, wie die spezifische Wärme oder die Kompressibilität, weisen Diskontinuitäten oder Divergenzen auf. Beispiele hierfür sind der Übergang von einem ferromagnetischen zu einem paramagnetischen Zustand am Curie-Punkt oder der Übergang von einem normalen Leiter zu einem Supraleiter. Diese Übergänge sind oft mit kritischen Phänomenen verbunden und werden durch kritische Exponenten beschrieben, die universelle Klassen von Übergängen charakterisieren. Die mikroskopische Ursache liegt hier oft in einer kontinuierlichen Änderung der Ordnungsparameter des Systems.

Die Bedingungen, unter denen Phasenübergänge stattfinden, werden oft in Phasendiagrammen dargestellt. Ein Phasendiagramm ist eine grafische Darstellung der stabilen Phasen eines Stoffes in Abhängigkeit von externen Parametern wie Temperatur und Druck. Diese Diagramme zeigen typischerweise Linien, die Phasengrenzen darstellen, wo zwei Phasen im Gleichgewicht koexistieren können. Ein besonderer Punkt in einem Phasendiagramm ist der Tripelpunkt, an dem alle drei klassischen Phasen (fest, flüssig, gasförmig) im Gleichgewicht existieren können. Ein weiterer wichtiger Punkt ist der kritische Punkt, jenseits dessen die flüssige und die gasförmige Phase nicht mehr voneinander zu unterscheiden sind und ein superkritisches Fluid entsteht.

Die Untersuchung von Phasenübergängen ist von grundlegender Bedeutung in vielen wissenschaftlichen und technischen Disziplinen. In der Materialwissenschaft sind sie entscheidend für das Verständnis und die Kontrolle der Eigenschaften von Legierungen und Keramiken, beispielsweise bei der Wärmebehandlung von Metallen. In der Chemie spielen sie eine Rolle bei Trennprozessen wie der Destillation oder Kristallisation. In der Meteorologie sind Phasenübergänge von Wasser (Verdampfung, Kondensation, Gefrieren) zentrale Prozesse für Wetterphänomene. Auch in der Teilchenphysik und Kosmologie werden Phasenübergänge diskutiert, etwa beim Übergang des Universums vom Quark-Gluon-Plasma zum hadronischen Zustand kurz nach dem Urknall. Das Verständnis der zugrundeliegenden mikroskopischen Wechselwirkungen und der makroskopischen thermodynamischen Gesetze ermöglicht es, diese komplexen Phänomene präzise zu beschreiben und vorherzusagen.