Фа́зовый перехо́д, переход между состояниями (фазами) физической системы из большого числа частиц, происходящий при определённых значениях внешних параметров (температуры, давления, магнитного поля и др.). Возможные для данной системы фазы характеризуются параметрами состояния и графически изображаются на фазовой диаграмме, на которой фазы отделены друг от друга кривой фазового перехода (фазовой границей), причём различным фазам соответствуют различные уравнения состояния.

Состояния (фазы) системы отличаются друг от друга параметрами порядка, причём в зависимости от характера их изменения различают фазовые переходы 1-го рода (скачкообразное изменение параметров порядка) и фазовые переходы 2-го рода (непрерывное изменение параметров порядка); указанное различие довольно условно, т. к. существует тип фазовых переходов 1-го рода, близких ко 2-му. Примеры фазовых переходов 1-го рода – переходы между газообразным, жидким и твёрдым состояниями одного и того же вещества, фазовых переходов 2-го рода – переходы ферромагнетик – парамагнетик, нормальный металл – сверхпроводник и др. (см. также Магнитный фазовый переход, Ориентационный фазовый переход, Структурные фазовые переходы).

Количественное описание фазового перехода 1-го рода основано на рассмотрении термодинамического потенциала – энергии Гиббса $G$, зависящей от внешних интенсивных термодинамических параметров (например, давления $p$ и температуры $T$) и численно равной химическому потенциалу фазы. На фазовой границе фазового перехода 1-го рода величина $G$ непрерывна, но её первые производные испытывают конечный скачок; к числу указанных величин относятся удельный объём фазы и удельная теплота фазового перехода. Посредством этих величин выражается уравнение фазовой границы $f(p,T)=0$ (см. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса), причём при заданном значении $p$ или $T$ это уравнение однозначно определяет точку фазового перехода – соответственно $T_{кр}$ или $p_{кр}$.

С термодинамической точки зрения граничащие на фазовой диаграмме фазы соответствуют различным устойчивым (стабильным) локальным минимумам энергии Гиббса $G$. При определённых условиях (в число которых входят химическая чистота и однородность) в системе возможны метастабильные состояния – например, перегретая жидкость или переохлаждённый пар, которые по истечении времени релаксации переходят в стабильные состояния с бурным выделением теплоты фазового перехода. Указанный переход обусловлен ростом т. н. зародышей более стабильной фазы (здесь – капель жидкости) и является примером неравновесных фазовых переходов.

В случае фазового перехода 2-го рода непрерывны как величина $G$, так и её первые производные, но разрыв (возможно, бесконечный) испытывают вторые производные термодинамического потенциала (обобщённые термодинамические восприимчивости) – например, сжимаемость $ϰ$, теплоёмкость $С$, магнитная восприимчивость $χ$. Математически указанные особенности характеризуются т. н. критическими показателями (индексами) – например, $χ∼∣ε∣^{–ν }$ вблизи точки Кюри $T_C$, где $ε=(T-T_C)/T_C$ – приведённая температура, $ν$ – критический индекс. Вблизи точки фазового перехода 2-го рода наблюдаются критические явления – аномальный рост сжимаемости и теплоёмкости вещества, аномальное рассеяние электромагнитных волн на физической системе, критическое замедление ряда необратимых процессов (например, диффузии, вязкости) и т. п. Это объясняется тем, что обобщённые термодинамические восприимчивости пропорциональны равновесным спонтанным флуктуациям термодинамически сопряжённых величин – например, теплоёмкость пропорциональна флуктуациям внутренней энергии системы, а сжимаемость – флуктуациям её объёма.

Физическая природа фазового перехода 2-го рода связана с понятием симметрии (кристаллографической, магнитной и т. п.) и с определённым типом упорядочения в системе или одной из её подсистем, например магнитной (см. дальний и ближний порядок). Соответственно различаются фазовый переход 2-го рода типа порядок – беспорядок (например, при упорядочении бинарных сплавов и твёрдых растворов, ферромагнетизм – парамагнетизм) или порядок – порядок (например, при полиморфных превращениях в твёрдых телах).

К числу фазовых переходов 2-го рода относят критические точки, которые соответствуют точкам окончания фазовых границ, где обращаются в нуль скачки удельного объёма и теплота фазового перехода 1-го рода. Например, в критической точке фазовой границы газ – жидкость исчезает физическое различие между этими фазами (по плотности и отсутствию ближнего порядка), так что выше температуры $T_{кр}$ и давления $p_{кр}$ невозможен фазовый переход 1-го рода конденсации газа в жидкость.

Теоретическое описание фазового перехода 2-го рода основано на феноменологической теории фазовых переходов Ландау, согласно которой параметр порядка рассматривается как независимая переменная при минимизации свободной энергии системы. Более точный расчёт критических показателей основан на т. н. гипотезе подобия, согласно которой вблизи критической точки резко возрастает радиус корреляций локальных флуктуаций термодинамических параметров. Это позволяет применить к описанию фазового перехода 2- го рода понятие масштабной инвариантности и эффективно использовать математические методы, развитые в квантовой теории поля, в том числе метод ренормализационной группы.