상전이

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1. 개요
2. 상전이의 분류
3. 상전이의 예
4. 전이점
5. 상전이의 특징
6. 상전이의 연구 및 활용
- 6.1. 연구 방법
- 6.2. 응용 분야
참조

1. 개요

상전이는 물질의 물리적 상태가 변하는 현상으로, 온도, 압력 등의 조건 변화에 따라 나타난다. 상전이는 잠열의 유무, 대칭성 변화 등을 기준으로 분류되며, 대표적으로 1차 상전이와 2차 상전이로 나뉜다. 1차 상전이는 잠열을 수반하며, 융해, 증발 등이 예시이며, 2차 상전이는 잠열 없이 상이 연속적으로 변하며, 강자성-상자성 전이 등이 해당된다. 상전이 연구에는 다양한 실험 기법과 이론적 접근이 사용되며, 생물학적 막의 겔-액정 상전이, 단백질 접힘, 신경망, 금융 시장 거품 형성 등 다양한 분야에 응용된다.

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상전이
지도 정보
기본 정보
영어 명칭	phase transition, phase transformation
일본어 명칭	相転移 (Sōten'i)
한국어 명칭	상전이
정의 및 분류
정의	물질의 기본 상태 사이의 전이 과정
분류 기준	열역학적 특성 변화 (1차 상전이, 2차 상전이) 대칭성 변화 (대칭성이 깨지는 경우) 전이 속도 (급격한 전이, 완만한 전이)
유형	기화 응축 융해 응고 승화 침전 액체 및 결정의 변형 상자성과 강자성 사이의 전이 초전도체와 정상 전도체 사이의 전이 보스-아인슈타인 응축
관련된 학문	열역학 통계역학
1차 상전이
특징	잠열을 동반 엔탈피와 엔트로피의 불연속적인 변화 밀도 변화 상 공존 (공존 온도 또는 압력 존재) 핵 생성 및 성장 메커니즘을 따름
예시	기화 융해 응고 승화
2차 상전이
특징	잠열을 동반하지 않음 엔탈피와 엔트로피의 연속적인 변화 비열의 불연속적인 변화 질서 변수 존재
예시	강자성에서 상자성으로의 전이 (퀴리점) 초전도체에서 정상 전도체로의 전이 초유동체 전이
기타
임계 현상	상전이 근처에서 발생하는 특이한 현상. 예: 임계 지점 근처에서의 특이한 성질 변화
급격한 전이 (급격 상전이)	일정한 온도 또는 압력에서 빠르게 일어나는 상변화
완만한 전이 (완만 상전이)	넓은 온도 또는 압력 범위에서 서서히 일어나는 상변화
응용 분야	물질 과학 재료 공학 화학 물리학 우주론

2. 상전이의 분류

상전이는 크게 1차 상전이와 2차 상전이로 나뉜다. 파울 에렌페스트가 처음 제시한 분류는 자유 에너지의 미분 불연속성을 기준으로 하지만, 현대적인 분류는 잠열의 유무와 대칭성 변화 등을 고려하여 에렌페스트 분류를 보완한다.

1차 상전이: 잠열을 수반하며, 상이 변할 때 계 전체가 한꺼번에 변하지 않고 부분적으로 상이 바뀌는 '상이 혼합된 상태'가 나타난다. 예를 들어 물이 끓을 때 액체와 기체가 섞여 있는 상태가 된다.
2차 상전이: 잠열이 없고 상이 연속적으로 변한다. 임계점 위의 상변화가 대표적인 예시이다.

에렌페스트 분류는 자유 에너지의 몇 차 미분에서 불연속점이 나타나는지에 따라 상전이를 분류하는 고전적인 방법이다.^[5] 1차 상전이는 자유 에너지의 1차 미분에서 불연속성이 나타나고,^[6] 2차 상전이는 1차 미분은 연속이지만 2차 미분에서 불연속성이 나타난다.^[1] 하지만 이 분류는 이징 모형과 같은 일부 상전이를 설명하는 데 한계가 있어 현대적인 분류로 대체되었다.^[12]

2. 1. 1차 상전이

파울 에렌페스트가 분류한 고전적인 상전이 분류에서, 1차 상전이는 자유 에너지의 1차 미분에서 불연속점이 나타나는 상전이를 의미한다.^[58] 1차 상전이는 잠열(숨은열, Latent Heat)을 수반한다. 상이 바뀔 때, 일정한 양(일반적으로 많은 양)의 잠열을 흡수하거나 방출한다.^[13]^[14] 이러한 잠열 교환 때문에, 1차 상전이에서는 계 전체가 한꺼번에 상을 바꾸는 것이 아니라, 부분적으로 상이 바뀌는 "상이 혼합된 상태"가 나타난다. 대표적인 예로 끓는 물이 있다. 물이 끓는 것은 물 전체가 한꺼번에 수증기로 바뀌는 것이 아니고 국소적으로 물이 수증기로 바뀌는 것이며, 이때 물과 수증기는 열평형을 이룬다.^[1]

1차 상전이의 전이점은 압력에 따라 변한다. 물질 고유의 삼중점 이하의 압력에서는 액상이 존재하지 않으므로, 증발, 응축, 융해, 좁은 의미의 응고는 일어나지 않는다. 또한, 임계점 이상의 압력에서는 기상과 액상의 차이가 없어져 단일 상만 존재한다.^[1]

1차 상전이 전후에서는 엔트로피와 몰열용량 등이 불연속적이다. 그리고 전후의 화학퍼텐셜 μ₁, μ₂는 일치하며, 상전이 상태에 있는 두 상에는 클라우지우스-클라페이론 방정식이 성립한다.

물질의 상변태 사이의 상전이는 모두 대표적인 1차 상전이이며, 다음과 같이 구분된다.

전이 전 상	전이 후 상	현상 명칭	전이점 명칭	전이열 명칭
고체	액체	융해	융점	융해열
고체	기체	승화	승화점	승화열
액체	고체	응고	응고점	응고열
액체	기체	증발^[61]	끓는점	증발열
기체	액체	응축^[62]	(특별히 없음)	응축열
기체	고체	응결^[63]^[64]	(특별히 없음)	(특별히 없음)

1종 상전이는 준안정 상태를 가지므로, 고체 표면이나 공간에 부유하는 흡습성 미소 입자나 이온 등의 자극이 없으면 과열 상태나 과냉각 상태처럼 전이점을 넘어서도 상전이가 일어나지 않는 경우가 있다.

열적 현상으로서 제1종 상전이가 진행 중인 단일 성분계는 압력이 일정한 경우, 계의 온도가 일정한 상태에서 계 외부로의 열 방출 또는 흡수가 관찰된다. 이러한 기전으로 발생하는 열을 전이열^[65] 또는 잠열^[66]이라고 한다.

상전이 전후를 상태₁，상태₂로 했을 경우, 각 상의 생성 엔탈피 ''H''₁, ''H''₂의 총량 차이만큼 전이열이 발생한다. 전이열의 단위는 질량당 열량 (J/g) 또는 물질량당 열량 (J/몰)으로 나타낸다. 예를 들어, 물의 융해열은 333.5J/g, 기화열은 2256.7J/g이다.

다음은 전이열에 해당하는 열 현상이다.

증발열(기화열, 응축열) - 기상·액상 간의 제1종 상전이
융해열(응고열) - 액상·고상 간의 제1종 상전이

2. 2. 2차 상전이

2차 상전이는 잠열이 없고, 상이 연속적으로 변하는 상전이이다. 임계점 위의 상변화를 말한다.^[5] 2차 상전이는 ''연속 상전이''라고도 불리며, 임계점 근처에서 멱 법칙 상관 감쇠를 특징으로 한다.^[18]

2차 상전이의 예시는 다음과 같다.^[18]

강자성 전이
초전도 전이 ( 제1종 초전도체의 경우 외부 자기장이 0일 때, 제2종 초전도체의 경우 정상 상태-혼합 상태 및 혼합 상태-초전도 상태 전이 모두 해당)
초유체 전이
액체-유리 전이

레프 란다우는 2차 상전이의 현상론적 이론을 제시했다.^[18]

2차 상전이에서는 화학퍼텐셜의 1차 도함수도 연속이기 때문에 전이열은 발생하지 않고, 비체적의 불연속점도 발생하지 않는다. 하지만, 화학퍼텐셜의 2차 도함수 등이 불연속이며 비열이나 자화율이 전이점에서 불연속성을 보인다.

2차 상전이점 부근에서는 물리량의 이상 현상이 나타나며, 이들은 '''임계 현상'''이라고 총칭된다. 예를 들어, 비열이 2차 상전이점 부근에서 그리스 문자 λ 모양의 그래프를 나타내며 발산하는 경우를 '''람다 전이'''라고 한다.^[55]^[56]^[57]^[58]^[59]^[60]

연속 상전이는 임계 지수라고 알려진 매개변수로 특징지어질 수 있다. 예를 들어 ''T''가 임계 온도 ''T''_c에 가까울 때 열용량 ''C''는 일반적으로 다음과 같은 멱 법칙 거동을 보인다.

:

C \propto |T_\text{c} - T|^{-\alpha}.

^[33]

비정질 재료의 열용량은 유리 전이 온도 근처에서 이러한 거동을 보이며, 여기서 보편적인 임계 지수 ''α'' = 0.59이다.

−1 < ''α'' < 0인 경우, 열용량은 전이 온도에서 "꺾임점"을 갖는다. 0 < ''α'' < 1인 경우, 열용량은 전이 온도에서 발산한다(하지만 ''α'' < 1이므로 엔탈피는 유한하게 남아있다).^[34]^[35]^[36]

파울 에렌페스트의 분류법에서는 자유 에너지의 온도 또는 압력의 ''n''계 미분이 불연속점을 갖는 경우를 ''n''차 상전이라 부른다. 1계 미분이 불연속점을 갖는 경우를 일차 상전이, 2계 미분이 불연속점을 갖는 경우를 이차 상전이라 부른다.

2. 3. 에렌페스트 분류 (고전적 분류)

파울 에렌페스트가 제안한 고전적인 상전이 분류는 자유 에너지의 미분 불연속성을 기준으로 한다.^[5] 이 분류에 따르면, 상전이는 전이 지점에서 불연속적인 자유 에너지의 가장 낮은 차수 도함수에 따라 분류된다.^[5]

1차 상전이: 어떤 열역학적 변수에 대한 자유 에너지의 1차 도함수에 불연속성을 보인다.^[6] 예를 들어, 다양한 고체/액체/기체 전이는 밀도의 불연속적인 변화(압력에 대한 자유 에너지의 1차 도함수의 역수)를 수반하기 때문에 1차 전이로 분류된다.
2차 상전이: 1차 도함수는 연속적이지만, 자유 에너지의 2차 도함수에 불연속성을 보인다.^[1] 예를 들어, 철과 같은 물질에서 강자성 상전이가 여기에 해당된다. 이 경우, 자화는 온도가 퀴리 온도보다 낮아짐에 따라 0에서 연속적으로 증가하지만, 자화율은 불연속적으로 변한다.

에렌페스트 분류 체계에 따르면, 원칙적으로 3차, 4차 및 그 이상의 고차 상전이도 있을 수 있다. 하지만 실제로는 1차 및 2차 상전이만 일반적으로 관찰된다.^[9]

이러한 에렌페스트 분류는 이징 모형과 같이 일부 상전이를 설명하는 데 한계가 있어, 현대적인 분류로 대체되었다.^[12]

3. 상전이의 예

물, 얼음, 수증기는 열이나 압력에 의해 서로 상태가 변한다. 실생활에서 주로 관찰되는 물의 상전이는 대부분 1차 상전이이며, 잠열이 필요하다. 그러나 상전이 임계점을 넘는 고온, 고압에서는 2차 상전이가 일어나기도 한다. 자성체는 외부 온도나 자기마당에 따라 강자성이나 상자성을 띤다. 단백질 접힘, 생물 군집 형성, 금융 시장 거품 형성 등도 상전이 현상으로 설명할 수 있다.

여러 다른 결정 구조(예: 페라이트(α-철) 및 오스테나이트(γ-철))를 구분하여 철의 동소체를 보여주는 상도표.

화학적 조성이 변하지 않고 고체의 구조가 변할 때도 상전이가 발생한다. 원소의 경우 동소체, 화합물의 경우 다형성이라고 한다. 마르텐사이트 변태는 탄소강에서 일어나는 상변태 중 하나이며, 치환 상변태의 모델이다. α-티타늄 알루미나이드와 같은 질서-무질서 전이도 여기에 해당한다. 물질의 상태와 마찬가지로, 구조적 상전이에도 준안정에서 평형으로의 상변태가 존재한다.

규소화망간(Manganese monosilicide)의 동일한 결정 구조에서 다양한 자기 구조를 보여주는 상전이 그림.

티타늄과 니켈의 서로 다른 혼합 비율과 온도에서 가장 안정적인 화합물을 보여주는 이원상태도.

용액과 혼합물을 포함하는 상전이는 단일 화합물의 상전이보다 복잡하다. 세 가지 상을 포함하는 상전이도 있는데, 두 성분 단상 액체를 냉각시켜 두 고체 상으로 변환하는 공석 변태가 그 예이다.

급속히 녹는 고체 아르곤 조각은 고체에서 액체로, 기체에서 액체로의 두 가지 상전이를 동시에 보여준다. (흰색으로 응축된 수증기로 나타남)

이 외에도 다음과 같은 다양한 상전이가 존재한다.

고체와 액체 사이의 메소상으로의 전이 (예: 액정)
흡착 기하학
초전도성
메타물질 특성
보손 유체의 양자 응축 (보즈-아인슈타인 응축)
대칭 깨짐
동위원소 분획

상전이는 계의 열역학적 자유 에너지가 열역학적 변수에 대해 비해석적일 때 발생한다. 온도가 아닌 다른 매개변수에 의해 발생하는 비열역학적 상전이도 있는데, 양자 상전이, 동적 상전이, 위상 (구조적) 상전이 등이 그 예이다.

상전이는 생물학적 시스템에서 중요한 역할을 한다. 인지질 이중층 형성, 단백질 접힘 과정과 DNA 녹는 현상에서의 코일-글로불 전이, DNA 응축 등에서 나타난다. '''생물학적 막'''에서 겔-액정 상전이는 생체막의 생리적 기능에 중요한 영향을 미친다.

일부 생물학적 시스템은 임계점 근처에 있을 수 있다는 주장이 제기되었다. 도롱뇽 망막의 신경망, 조류 무리, 초파리의 유전자 발현 네트워크, 단백질 접힘 등이 그 예시이다. 2차 상전이에서는 척도-자유 특성에서 프랙탈이 나타나기도 한다. 스트레스를 받는 유기체 그룹에서는 상관 관계와 변동이 함께 증가하는 경향이 있다.

"상"의 정의는 분야에 따라 다르다. 상전이의 예로는 얼음이 물이 되거나 물이 수증기가 되는 고체, 액체, 기체 사이의 전이 외에도, 탄산칼슘이 바테라이트에서 칼사이트나 아라고나이트로, 탄소가 다이아몬드에서 흑연으로 변하는 것과 같은 다형 또는 동소체 간 전이가 있다.

그 외에도 구조 상전이, 자기 상전이, 금속-절연체 전이, 상전도-초전도 전이, 상유전체-강유전체 전이, 진공의 상전이 등 다양한 상전이가 존재한다. 시차열 분석 등의 기술을 사용하여 상전이를 검출할 수 있다.

물질의 상변태 사이의 상전이는 대표적인 1차 상전이이며, 다음과 같이 구분된다.

전이 전 상	전이 후 상	현상 명칭	전이점 명칭	전이열 명칭
고체	액체	융해	융점	융해열
고체	기체	승화	승화점	승화열
액체	고체	응고	응고점	응고열
액체	기체	증발^[61]	비등점	증발열
기체	액체	응축^[62]	(특별히 없음)	응축열
기체	고체	응결	(특별히 없음)	(특별히 없음)

1차 상전이의 전이점은 압력에 따라 변한다. 삼중점 이하 압력에서는 액상이 존재하지 않아 증발, 응축, 융해, 응고가 일어나지 않는다. 임계점 이상 압력에서는 기체와 액상의 구분이 사라진다. 1차 상전이 전후에는 엔트로피, 몰열용량 등이 불연속적이다.

1종 상전이는 준안정 상태를 가지므로 과열, 과냉각 상태처럼 전이점을 넘어도 상전이가 일어나지 않는 경우가 있다. 증발의 용이함, 어려움을 나타내는 물성으로 “휘발성”, “불휘발성”이 있다. 이상기체나 이상액체와 달리 실제 물질은 고압에서 기체와 액상의 행동에 차이가 없어지는데, 이 한계를 “임계점”이라 하고, 임계점을 초과한 상태를 초임계 상태라고 한다.

열적 현상으로서 제1종 상전이가 진행 중일 때는 계의 온도가 일정하게 유지되며, 계 외부로 열 방출 또는 흡수가 관찰된다. 이러한 열을 전이열^[65] 또는 잠열^[66]이라고 한다. 전이열은 각 상의 생성 엔탈피 차이만큼 발생하며, 단위는 질량당 열량 (J/g) 또는 물질량당 열량 (J/몰)으로 나타낸다. 물의 융해열은 333.5J/g, 기화열은 2256.7J/g이다.

전이열에는 다음과 같은 종류가 있다.

증발열(기화열, 응축열) - 기상·액상 간의 제1종 상전이
융해열(응고열) - 액상·고상 간의 제1종 상전이

3. 1. 물질의 상태 변화

물, 얼음, 수증기는 서로 열이나 압력에 의해 상태가 변한다. 실생활에서 흔히 보는 물의 상전이는 대부분 1차 상전이로, 잠열이 필요하다. 그러나 상전이 임계점을 넘는 고온, 고압 조건에서는 2차 상전이가 나타나기도 한다.^[1]

단순화된 물의 상도. 온도와 압력에 따라 얼음, 물, 수증기 중 어떤 상태가 안정적인지 보여준다.

고체 상태에서도 화학 조성 변화 없이 구조가 변하는 상전이가 일어날 수 있다. 원소의 경우 동소체 간 전이, 화합물의 경우 다형성 간 전이가 이에 해당한다. 예를 들어 탄소는 다이아몬드에서 흑연으로, 탄산칼슘은 바테라이트에서 칼사이트나 아라고나이트로 변할 수 있다.^[1]

3. 2. 자기 상전이

자성체는 외부 온도나 외부 자기마당에 따라서 강자성과 상자성의 성질을 띤다. 자기 상전이는 서로 다른 종류의 자기 정렬 간의 변화를 설명할 수 있다.^[1] 가장 잘 알려진 것은 강자성과 상자성 상 사이의 전이로, 퀴리 온도에서 발생한다.^[1] 세륨 안티몬화물과 같이 다르게 정렬된, 공명 또는 비공명 자기 구조 사이의 전이도 자기 상전이의 또 다른 예시이다.^[1] 이징 모델은 자기 상전이의 단순화된 모델이지만 매우 유용한 모델이다.^[1]

3. 3. 기타 상전이

금속-절연체 전이 (모트 전이 등)
상전도-초전도 전이
상유전체-강유전체 전이
액정 상전이
단백질 접힘, DNA 응축 등 생물학적 시스템에서의 상전이
금융 시장 거품 형성 등 사회 현상에서의 상전이
진공의 상전이 (우주론)

4. 전이점

온도, 압력 등의 상태량 값의 조합을 '''전이점'''(변태점)^[53]이라고 하며, 특히 전이점에서의 온도를 전이 온도라고 한다. 특정 물질에서 전이점은 열역학적 상태에 따라 결정되는 값이다. 예를 들어 특정 성분계의 액상-기상 전이점에서는 압력과 같은 상태량이 지정되면, 나머지 상태량인 온도, 즉 끓는점은 유일하게 결정된다. 이와 같이 상전이의 상태값을 상평형 그림 위에 나타내면 전이점은 연속적인 선분을 형성한다.

전이점의 예는 다음과 같다.

끓는점, 녹는점, 승화점, (어는점)
퀴리 온도, 네엘 온도
유리 전이 온도^[54]
마르텐사이트 변태점

5. 상전이의 특징

상전이는 특정한 외부 조건(온도, 압력, 자기장 등)의 변화에 따라 물질의 상(고체, 액체, 기체 등)이 다른 상으로 변하는 현상이다. 이러한 상전이는 다음과 같은 특징을 가진다.
1. 잠열1차 상전이에서는 잠열이 발생한다. 잠열은 상이 변하는 동안 온도는 일정하게 유지되면서 흡수되거나 방출되는 열에너지이다. 예를 들어, 물이 끓어 수증기가 될 때 온도는 100℃로 유지되지만, 계속 열을 가해주어야 한다. 이때 가해지는 열이 잠열이다.^[13]^[14]
2. 상 공존1차 상전이 과정에서 계는 "혼합 상 영역"에 있게 된다. 즉, 두 가지 상이 공존하는 상태가 나타난다. 예를 들어, 얼음이 녹아 물이 되는 과정에서 얼음과 물이 함께 존재한다.^[13]^[14] 요세프 임리와 마이클 워티스는 냉각 무질서가 있는 경우 1차 상전이가 확장될 수 있음을 보였다. 즉, 상전이가 유한한 온도 범위에 걸쳐 완료되며, 과냉각 및 과열과 같은 현상이 나타나고 열 순환에서 히스테리시스가 관찰된다.^[15]^[16]^[17]
3. 임계 현상2차 상전이(연속 상전이)에서는 임계점 근처에서 특이한 현상들이 나타난다. 이러한 현상들은 임계 현상이라고 불리며, 임계 지수라는 매개변수로 특징지어진다.^[5] 예를 들어, 열용량은 임계 온도 근처에서 특정 임계 지수를 가지며 급격하게 변한다.
4. 대칭성 깨짐많은 상전이는 대칭성 깨짐을 동반한다. 예를 들어, 액체가 고체로 변할 때, 액체가 가지는 연속적인 병진 대칭성이 깨진다. 고체는 특정한 결정 구조를 가지므로, 액체처럼 모든 방향으로 동일한 특성을 가지지 않는다.^[29]
5. 상전이 매개변수 (질서 변수)상전이 매개변수는 상전이에서 질서의 정도를 나타내는 값이다. 일반적으로 임계점 이상에서는 0이고, 임계점 이하에서는 0이 아닌 값을 가진다.^[30] 예를 들어, 강자성 물질의 경우, 자화의 크기가 상전이 매개변수가 된다.

5. 1. 상 공존

1차 상전이에서는 잠열이 수반되며, 이 과정에서 계는 단위 부피당 일정한 양의 에너지를 흡수하거나 방출한다. 이때 열이 가해져도 계의 온도는 일정하게 유지되며, 계는 "혼합 상 영역"에 있게 된다.^[13]^[14]

요세프 임리와 마이클 워티스는 냉각 무질서가 있는 경우 1차 상전이가 확장될 수 있음을 보였다. 즉, 상전이가 유한한 온도 범위에 걸쳐 완료되며, 과냉각 및 과열과 같은 현상이 나타나고 열 순환에서 히스테리시스가 관찰된다.^[15]^[16]^[17]

이러한 지속적인 상 공존은 거대 자기 저항 망가니트 재료,^[24]^[25] 자기 냉각 재료,^[26] 자기 형상 기억 재료,^[27] 및 기타 재료를 포함한 다양한 1차 자기 전이에서 보고되었다.^[28]

5. 2. 임계 현상

2차 상전이(연속 상전이)에서는 임계점 근처에서 특이한 현상들이 나타난다. 이러한 현상들은 임계 현상이라고 불리며, 임계 지수라는 매개변수로 특징지어진다.^[5]

연속 상전이는 임계 지수로 특징지을 수 있다. 전이에 접근함에 따라 열 상관 길이의 발산을 설명하는 지수가 중요하며, 이러한 전이 근처에서 열용량의 거동을 예로 들 수 있다. 다른 모든 열역학적 변수를 고정하고 계의 온도 ''T''를 변화시키면, 특정 임계 온도 ''T''_c에서 전이가 발생한다. ''T''가 ''T''_c에 가까울 때 열용량 ''C''는 멱 법칙 거동을 보인다.

:

C \propto |T_\text{c} - T|^{-\alpha}.

비정질 재료의 열용량은 유리 전이 온도 근처에서 이러한 거동을 보이는데, 여기서 보편적인 임계 지수 ''α'' = 0.59이다.^[33] ''α'' 대신 지수 ''ν''가 상관 길이에 적용되는 유사한 거동도 나타난다.

지수 ''ν''는 양수이며, ''α''와 다르다. 실제 값은 고려하는 상전이의 유형에 따라 달라진다. 임계 지수는 임계 온도 이상과 이하에서 반드시 동일하지는 않다. 연속적인 대칭성이 무관한(재정규화 군의 의미에서) 비등방성에 의해 불연속적인 대칭성으로 명시적으로 깨질 때, 어떤 지수(예: 감수율의 지수인

\gamma

)는 동일하지 않다.^[34]

−1 < ''α'' < 0인 경우, 열용량은 전이 온도에서 "꺾임점"을 갖는다. 이는 정상 상태에서 초유체 상태로의 람다 전이에서 액체 헬륨의 거동으로, 실험을 통해 ''α'' = −0.013 ± 0.003임을 알아냈다. 샘플의 압력 차이를 최소화하기 위해 무중력 상태의 궤도 위성에서 실험이 수행되기도 했다.^[35] 이 실험적 α 값은 변분섭동이론에 기반한 이론적 예측과 일치한다.^[36]

0 < ''α'' < 1인 경우, 열용량은 전이 온도에서 발산한다(하지만 ''α'' < 1이므로 엔탈피는 유한하게 남아있다). 3차원 강자성 상전이가 이러한 거동의 예시이다. 단축 자석에 대한 3차원 이징 모형에서 자세한 이론적 연구 결과, 지수 ''α'' ≈ +0.110이 산출되었다.

일부 모델 시스템은 멱 법칙 거동을 따르지 않는다. 예를 들어, 평균장 이론은 전이 온도에서 열용량의 유한한 불연속성을 예측하고, 2차원 이징 모형은 로그적 발산을 갖는다. 그러나 이러한 시스템은 극한적인 경우이며 예외에 해당한다. 실제 상전이는 멱 법칙 거동을 나타낸다.

측정 가능한 물리량의 상전이 근처에서의 멱 법칙 거동을 조사하여 여러 다른 임계 지수 ''β'', ''γ'', ''δ'', ''ν'', ''η''가 정의된다. 이 지수들은 다음과 같은 스케일링 관계로 연결된다.

:

\beta = \gamma / (\delta - 1),\quad \nu = \gamma / (2 - \eta).

''ν''와 ''η''와 같이 독립적인 지수가 두 개뿐임을 보일 수 있다.

서로 다른 시스템에서 발생하는 상전이가 동일한 임계 지수 집합을 갖는 경우가 많다는 것은 주목할 만한 사실이다. 이 현상을 ''보편성''이라고 한다. 예를 들어, 액체-기체 임계점에서의 임계 지수는 유체의 화학적 조성과 무관한 것으로 밝혀졌다.

더욱 인상적인 것은, 이들이 단축 자석에서 강자성 상전이의 임계 지수와 정확히 일치한다는 점이다. 이러한 시스템은 동일한 보편성 클래스에 속한다고 한다. 보편성은 상전이의 재정규화 군 이론의 예측으로, 상전이 근처의 시스템의 열역학적 특성은 차원과 대칭성과 같은 소수의 특징에만 의존하며 시스템의 기본적인 미시적 특성에는 민감하지 않다는 것을 나타낸다. 즉, 상관 길이의 발산이 중요한 점이다.

다른 임계 현상들도 존재한다. ''정적 함수'' 외에도 ''임계 동역학''이 있으며, 결과적으로 상전이에서 ''임계 지연'' 또는 ''가속''을 관찰할 수 있다. 계의 초기 상의 안정성이 낮아짐에 따라 상전이 전에 발생하는 ''증강된 요동''은 이전 현상과 관련된 현상이다. 연속 상전이의 큰 ''정적 범용성 클래스''는 더 작은 ''동적 범용성'' 클래스로 분리된다. 임계 지수 외에도 자기장과 임계값으로부터의 온도 차이에 대한 특정 정적 또는 동적 함수에 대한 범용 관계도 존재한다.

2차 또는 고차 상전이에서는 화학퍼텐셜의 1차 도함수도 연속이기 때문에 전이열은 발생하지 않고, 비체적의 불연속점도 발생하지 않는다. 반면, 2차 상전이에서는 화학퍼텐셜의 2차 도함수 등이 불연속이며 비열이나 자화율이 전이점에서 불연속성을 보인다. 그 외에도 2차 상전이점 부근에서는 물리량의 이상 현상이 나타나며, 이들은 '''임계 현상'''이라고 총칭된다. 비열이 2차 상전이점 부근에서 그리스 문자 λ 모양의 그래프를 나타내며 발산하는 경우를 '''람다 전이'''라고 한다.

5. 3. 대칭성 깨짐

많은 상전이는 대칭성 깨짐 과정을 수반한다. 예를 들어, 유체가 결정성 고체로 냉각되는 과정은 연속적인 병진 대칭성을 깨뜨린다. 유체 내의 각 지점은 동일한 특성을 가지지만, 결정 내의 각 지점은 (결정 격자의 격자점에서 지점을 선택하지 않는 한) 동일한 특성을 가지지 않는다. 일반적으로, 특정 우연적 대칭성(예: 저온에서만 발생하는 무거운 가상 입자의 형성)을 제외하고, 고온 상은 저온 상보다 더 많은 대칭성을 포함하는데, 이는 자발적 대칭성 깨짐 때문이다.^[29]

5. 4. 상전이 매개변수 (질서 변수)

상전이 매개변수는 상전이계에서 경계를 넘어서는 질서의 정도를 측정하는 값이다. 일반적으로 한 상(보통 임계점 이상)에서는 0이고 다른 상에서는 0이 아닌 값을 가진다.^[30] 임계점에서 상전이 매개변수의 감수율은 일반적으로 발산한다.

상전이 매개변수의 예로는 상전이를 겪는 강자성계의 순 자화가 있다. 액체/기체 상전이의 경우 상전이 매개변수는 밀도의 차이이다.

이론적인 관점에서 상전이 매개변수는 대칭성 깨짐에서 비롯된다. 이러한 현상이 발생하면 시스템의 상태를 설명하기 위해 하나 이상의 추가 변수를 도입해야 한다. 예를 들어, 강자성 상에서는 시스템이 퀴리 온도 이하로 냉각될 때 자발적으로 선택된 방향을 가진 순 자화를 제공해야 한다.

초전도 및 강자성과 같은 일부 상전이는 하나 이상의 자유도에 대한 상전이 매개변수를 가질 수 있다. 이러한 상에서 상전이 매개변수는 크기가 상전이에서 0으로 가는 복소수, 벡터 또는 심지어 텐서의 형태를 취할 수 있다.

6. 상전이의 연구 및 활용

대한민국에서는 상전이 현상에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이를 여러 분야에 응용하고 있다.

6. 1. 연구 방법

상전이 연구에는 다양한 실험 및 이론적 방법이 사용된다.

실험적 방법으로는 홀 효과(자기 전이 측정), 뫼스바우어 분광법(자기 및 비자기 전이 동시 측정, 약 800~1000 °C까지), 중성자 회절, 각상관 교란법(자기 및 비자기 전이 동시 측정, 온도 제한 없음), 라만 분광법, SQUID(자기 전이 측정), 열중량 분석, X선 회절 등이 있다.

이론적 방법으로는 평균장 이론, 재규격화군 이론, 란다우 이론, 이징 모형, XY 모형 등이 사용된다. (이론적 방법은 원문에 직접 언급되지 않았지만, 요약에 포함되어 추가함)

6. 2. 응용 분야

상전이는 여러 분야에 응용된다.

'''반도체:''' 실리콘 등 반도체 재료의 결정 성장, 도핑 과정 등에서 상전이 현상이 중요하다.
'''디스플레이:''' 액정 디스플레이(LCD)는 액정의 상전이를 이용한 대표적인 기술이다.
'''신소재:''' 형상기억합금, 고온 초전도체, 자성 재료 등 다양한 신소재 개발에 상전이 연구가 활용된다.
'''생명과학:''' 단백질 접힘, DNA 변성 등 생체 분자의 상전이 현상 연구는 생명 현상 이해에 기여한다.^[37] 특히, 생물학적 막에서 겔에서 액정으로의 상전이는 생체막의 생리적 기능에 중요한 역할을 한다. 겔 상에서는 막 지질 지방산 사슬의 유동성이 낮기 때문에 막 단백질의 이동이 제한되어 생리적 역할 수행이 제한된다. 엽록체 틸라코이드 막은 리놀렌산 함량이 높아 상대적으로 낮은 온도에서도 고유한 유동성을 유지한다.^[38]
'''사회과학:''' 금융 시장의 거품 붕괴, 사회적 격변 등 사회 현상을 상전이 개념으로 설명하려는 시도가 이루어지고 있다.

참조

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_[61] 문서 끓는점에서 액체 전체에서 증발이 발생하는 경우 "비등"이라고 한다.
_[62] 문서 응축이라고 하는 경우가 있다. 특히 고체 표면에서의 응축은 "결로"라고 한다.
_[63] 간행물 화학과 교육
_[64] 간행물 화학과 교육
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상전이