כדי לעסוק במעברי פאזה יש להגדיר תחילה את מושג הפאזה, ולשם כך נתחיל בהגדרה של מערכת תרמודינמית [1]. מערכת תרמודינמית היא אזור במרחב אשר ניתן לתאר את תכונות החומר והקרינה בו, בקנה מידה גדול ולא מיקרוסקופי, באמצעות אוסף של "משתני מצב" - לחץ, טמפרטורה, אנרגיה ואנטרופיה [הפנייה לפוסט טמפרטורות גבוהות או קרינת הוקינג בשביל מושגים].
כעת ניתן להגדיר פאזה [2]. פאזה היא מערכת תרמודינמית אשר תכונות החומר בה הן אחידות. דוגמה מוכרת לפאזה היא מצב צבירה. גז, נוזל, מוצק ומצבי צבירה אקזוטיים יותר. יש הבדל מאוד משמעותי בין התכונות של מצבי הצבירה, והתכונה הבולטת ביותר שבה הן שונות היא הצפיפות.
תהליך מעבר הפאזה מתבטא בשינוי התלות הרגילה בין משתני המצב. אם נחמם סיר עם מים, למשל, נוכל למדוד שהטמפרטורה של המים עולה ככל שנחמם - בהתאם לקיבול החום של המים. כאשר תתחיל הרתיחה, לעומת זאת, נראה שלמרות שאנחנו ממשיכים לחמם את המים - הטמפרטורה שלהם לא עולה (נחשו באיזו טמפרטורה זה יקרה…). זאת מכיוון שהאנרגיה שאנחנו מכניסים למערכת (בצורת חום), לא מתגלגלת לעליית הטמפרטורה אלא משמשת להרחקת מולקולות המים זו מזו - הקטנת הצפיפות ומעבר מנוזל לגז.
מעברי פאזה מתרחשים כתוצאה משינוי באחד מהמאפיינים התרמודינמיים של המערכת, כמו למשל הטמפרטורה. הם מתרחשים מכיוון שיש יתרון אנרגטי להימצאות בפאזה החדשה בהינתן השינוי בתנאים (קצת כמו לעבור לבגדי חורף בחורף…). תהליכים אלה נחשבים ייחודים יחסית בתחום הפיסיקה, כי הם מתאפיינים בחוסר רציפות. אחד המאפיינים של כל מערכת תרמודינמית נקרא אנרגיית גיבס, או פונקצית האנרגיה החופשית של גיבס [3]. פונקציה זו מתארת, בערך, את כמות האנרגיה במערכת שזמינה לניצול כדי להפיק עבודה. שינוי פאזה מתאפיין בכך שאחת מהנגזרות של אנרגית גיבס אינה רציפה. לנגזרת הזו, שאינה רציפה, יש משמעות פיזיקלית, התלויה במערכת. נגזרת זו נקראת פרמטר הסדר של המערכת.
בואו נבחן דוגמה נוספת: כפי שהזכרנו קודם, שינוי מצב-צבירה הוא מעבר פאזה. למשל קפיאה של מים - שינוי מצב צבירה מנזול למוצק. אם נבחן את השינוי של אנרגית גיבס כפונקציה של השינוי בטמפרטורה, אז הנגזרת הראשונה שלה אינה רציפה כאשר הטמפרטורה היא 0 מעלות צלזיוס (הטמפרטורה שבה מתרחש מעבר מצב הצבירה). כיוון שמדובר בנגזרת הראשונה, השינוי נקרא מעבר פאזה מסדר ראשון. מצד שני, הנגזרת הראשונה של אנרגית גיבס כפונקציה של הלחץ (במערכת הזו) היא הצפיפות, שאכן עובר שינוי חד ולא רציף במעבר בין נוזל למוצק.
דוגמה אחרת היא מעבר של מוליך למצב על-מוליכות [4]. גם מעבר זה קורה בטמפרטורה ספציפית. במערכת תרמודינמית כזו, הנגזרת השנייה של אנרגית גיבס כפונקציה של הטמפרטורה אינה רציפה (לכן זה נקרא מעבר פאזה מסדר שני). נגזרת שנייה זו נקראת המגנטיזציה [5], גודל המבטא את צפיפות הדיפולים המגנטיים בתוך החומר.
אנקדוטה נחמדה לגבי מעברי פאזה היא, שלעיתים ניתן לשנות את הפרמטר הרלוונטי לאט מספיק, ו"לעבוד" על המערכת שלא תעבור לפאזה העדיפה יותר מבחינה אנרגטית. במקרה כזה, נאמר שהמערכת נמצאת במצב מטה-סטבילי, וכל זעזוע קל יגרום לה "להבין" שבעצם היא לא במצב הנכון. אחד הדוגמאות המגניבות למצב כזה היא קירור-על (supercooling) שבו נוזל נמצא מתחת לטמפרטורת הקפיאה שלו עדיין במצב נוזלי [6].

מקורות:
[1] מערכת תרמודינמית (וויקיפדיה באנגלית)
[2] פאזה (וויקיפדיה באנגלית)
[3] האנרגיה החופשית של גיבס (וויקיפדיה באנגלית)
[4] סדרת מוליכות על באתר מדע גדול, בקטנה
[5] מגנטיות
[6] על קירור יתר באתר מדע גדול, בקטנה