derecha|miniaturadeimagen|361x361px|Este diagrama muestra la nomenclatura para las diferentes transiciones de fase. En química, termodinámica y otros campos relacionados, las transiciones de fase (o cambios de fase) son los procesos físicos de transición entre un estado de un medio, identificado por unos parámetros, y otro, con diferentes valores de los parámetros. El término transición de fase se usa más comúnmente para describir transiciones entre estados sólido, líquido y gaseoso de la materia, así como plasma en casos raros.
Por ejemplo, una fase de un sistema termodinámico y los estados de la materia tienen propiedades físicas uniformes. Durante una transición de fase de un medio dado, ciertas propiedades del medio cambian, a menudo de manera discontinua, como resultado del cambio de alguna condición externa, como la temperatura, la presión u otras. A modo de ejemplo, un líquido puede convertirse en gas al calentarse hasta el punto de ebullición, lo que resulta en un cambio abrupto en el volumen. La medición de las condiciones externas en las que se produce la transformación se denomina transición de fase. Las transiciones de fase comúnmente ocurren en la naturaleza y se usan hoy en día en muchas tecnologías.
Tipos de transición de fase Los ejemplos de transiciones de fase incluyen:
Las transiciones entre el sólido, líquido, y fases gaseosas de un componente solo, debido a los efectos de temperatura y/o presión:
Transiciones de fase de la materia109x109pxaSólidoLíquidoGasPlasmaDeSólidoFusiónSublimaciónLíquidoSolidificaciónVaporizaciónGasDeposiciónCondensaciónIonizaciónPlasmaRecombinación
miniaturadeimagen|300x300px|Un esquema de fase típico. La línea de puntos da el comportamiento anómalo de agua. derecha|miniaturadeimagen|Una pequeña porción de argón sólido de fusión rápida muestra simultáneamente las transiciones de sólido a líquido y de líquido a gas. miniaturadeimagen|354x354px|Comparación de diagramas de fase de dióxido de carbono (rojo) y agua (azul) que explican sus diferentes transiciones de fase a 1 atmósfera
Una transformación eutéctica, en la que un líquido monofásico de dos componentes se enfría y se transforma en dos fases sólidas. El mismo proceso, pero que comienza con un sólido en lugar de un líquido, se denomina transformación eutectoide. Una transformación peritectica, en la cual un sólido monofásico de dos componentes se calienta y se transforma en una fase sólida y una fase líquida. Una descomposición espinodal, en la que una sola fase se enfría y se separa en dos composiciones diferentes de esa misma fase. Transición a una mesofase entre sólido y líquido, como una de las fases de "cristal líquido". La transición entre las fases ferromagnética y paramagnética de los materiales magnéticos en el punto de Curie. La transición entre estructuras magnéticas, ordenadas, proporcionadas o no coordinadas de manera diferente, como en el antimonio de cerio. La transformación martensítica que se presenta como una de las muchas transformaciones de fase en el acero al carbono y se erige como un modelo para las transformaciones de fase de desplazamiento. Cambios en la estructura cristalográfica, como entre ferrita y austenita de hierro. Transiciones de orden-desorden como los aluminuros de alfa-titanio. La dependencia de la geometría de adsorción de la cobertura y la temperatura, como para el hidrógeno sobre el hierro (110). La aparición de superconductividad en ciertos metales y cerámicas cuando se enfría por debajo de una temperatura crítica. La transición entre diferentes estructuras moleculares (polimorfos, alótropos o poliamorfos), especialmente de sólidos, como entre una estructura amorfa y una estructura cristalina, entre dos estructuras cristalinas diferentes o entre dos estructuras amorfas. Condensación cuántica de fluidos bosónicos (condensación de Bose-Einstein). La transición superfluida en helio líquido es un ejemplo de esto. La ruptura de simetrías en las leyes de la física durante la historia temprana del universo a medida que su temperatura se enfría. El fraccionamiento de isótopos ocurre durante una transición de fase, la proporción de isótopos ligeros a pesados en las moléculas involucradas cambia. Cuando el vapor de agua se condensa (un fraccionamiento de equilibrio), los isótopos de agua más pesados (18O y 2H) se enriquecen en la fase líquida, mientras que los isótopos más ligeros (16O y 1H) tienden hacia la fase de vapor.
Las transiciones de fase se producen cuando la energía libre termodinámica de un sistema no es analítica para una selección de variables termodinámicas. Esta condición generalmente se deriva de las interacciones de una gran cantidad de partículas en un sistema y no aparece en sistemas que son demasiado pequeños. Es importante tener en cuenta que las transiciones de fase pueden ocurrir y se definen para sistemas no termodinámicos, donde la temperatura no es un parámetro. Los ejemplos incluyen: transiciones de fase cuántica, transiciones de fase dinámicas y transiciones de fase topológicas (estructurales). En estos tipos de sistemas otros parámetros toman el lugar de la temperatura. Por ejemplo, la probabilidad de conexión reemplaza la temperatura de las redes de filtración.
En el punto de transición de fase (por ejemplo, punto de ebullición) las dos fases de una sustancia, líquido y vapor, tienen energías libres idénticas y, por lo tanto, es igualmente probable que existan. Por debajo del punto de ebullición, el líquido es el estado más estable de los dos, mientras que por encima la forma gaseosa es la más estable.
A veces es posible cambiar el estado de un sistema diabáticamente (en lugar de adiabáticamente) de tal manera que se pueda pasar más allá de un punto de transición de fase sin sufrir una transición de fase. El estado resultante es metaestable, es decir, menos estable que la fase en la que se habría producido la transición, pero tampoco inestable. Esto ocurre en el sobrecalentamiento, el sobreenfriamiento y la sobresaturación, por ejemplo.
Clasificaciones
Clasificación de Ehrenfest Paul Ehrenfest clasificó las transiciones de fase según el comportamiento de la energía libre termodinámica en función de otras variables termodinámicas. Bajo este esquema, las transiciones de fase se marcaron con la derivada más baja de la energía libre que es discontinua en la transición. Las transiciones de fase de primer orden exhiben una discontinuidad en la primera derivada de la energía libre con respecto a alguna variable termodinámica. Las diversas transiciones sólido/líquido/gas se clasifican como transiciones de primer orden porque implican un cambio discontinuo en la densidad, que es la (inversa de la) primera derivada de la energía libre con respecto a la presión. Las transiciones de fase de segundo orden son continuas en la primera derivada (el parámetro de orden, que es la primera derivada de la energía libre con respecto al campo externo, es continua a lo largo de la transición) pero exhibe discontinuidad en una segunda derivada de la energía libre. Estos incluyen la transición de fase ferromagnética en materiales como el hierro, donde la magnetización, que es la primera derivada de la energía libre con respecto a la intensidad del campo magnético aplicado, aumenta continuamente desde cero a medida que la temperatura desciende por debajo de la temperatura de Curie. La susceptibilidad magnética, la segunda derivada de la energía libre con el campo, cambia de manera discontinua. Bajo el esquema de clasificación de Ehrenfest, en principio podría haber transiciones de fase de tercer, cuarto y orden superior.
Aunque es útil, se ha encontrado que la clasificación de Ehrenfest es un método incompleto para clasificar las transiciones de fase, ya que no tiene en cuenta el caso en que un derivado de la energía libre diverge (lo que solo es posible en el límite termodinámico). Por ejemplo, en la transición ferromagnética, la capacidad calorífica diverge hasta el infinito. El mismo fenómeno también se ve en la transición de fase superconductora.
Clasificaciones modernas En el esquema de clasificación moderno, las transiciones de fase se dividen en dos grandes categorías, denominadas de manera similar a las clases de Ehrenfest:
Las transiciones de fase de primer orden son aquellas que involucran un calor latente. Durante tal transición, un sistema absorbe o libera una cantidad fija (y generalmente grande) de energía por volumen. Durante este proceso, la temperatura del sistema se mantendrá constante a medida que se agregue calor: el sistema se encuentra en un "régimen de fase mixta" en el que algunas partes del sistema han completado la transición y otras no. Ejemplos familiares son la fusión del hielo o la ebullición del agua (el agua no se convierte instantáneamente en vapor, sino que forma una mezcla turbulenta de agua líquida y burbujas de vapor). Imry y Wortis demostraron que el trastorno extinguido puede ampliar una transición de primer orden. Es decir, la transformación se completa en un rango finito de temperaturas, pero sobreviven fenómenos como el sobreenfriamiento y el sobrecalentamiento y se observa una histéresis en los ciclos térmicos.
Las transiciones de fase de segundo orden también se denominan transiciones de fase continua. Se caracterizan por una susceptibilidad divergente, una longitud de correlación infinita y un decaimiento de la ley de potencias de las correlaciones cercanas a la criticidad. Ejemplos de transiciones de fase de segundo orden son la transición ferromagnética, la transición superconductora (para un Superconductor de tipo I, la transición de fase es de segundo orden en el campo externo cero y para un Superconductor de tipo II la transición de fase es de segundo orden para ambos estados (estado mixto y estado mixto - transiciones de estado superconductor) y la transición superfluida. En contraste con la viscosidad, la expansión térmica y la capacidad térmica de los materiales amorfos muestran un cambio relativamente repentino a la temperatura de transición vítrea que permite una detección precisa utilizando mediciones de Calorimetría diferencial de barrido. Lev Landau dio una teoría fenomenológica de las transiciones de fase de segundo orden.
Aparte de las transiciones de fase simples y aisladas, existen líneas de transición así como puntos multicríticos, al variar parámetros externos como el campo magnético o la composición.
Varias transiciones son conocidas como transiciones de fase de orden infinito. Son continuos pero no rompen simetrías. El ejemplo más famoso es la transición de Kosterlitz-Thouless en el modelo XY bidimensional. Muchas transiciones de fase cuántica, por ejemplo, en gases de electrones bidimensionales, pertenecen a esta clase.
La transición vítrea se observa en muchos polímeros y otros líquidos que pueden subenfriarse muy por debajo del punto de fusión de la fase cristalina. Esto es atípico en varios aspectos. No es una transición entre los estados fundamentales termodinámicos: se cree ampliamente que el estado fundamental verdadero es siempre cristalino. El vidrio es un estado de desorden enfriado, y su entropía, densidad, etc., dependen de la historia térmica. Por lo tanto, la transición vítrea es principalmente un fenómeno dinámico: al enfriar un líquido, los grados internos de libertad se desequilibran sucesivamente. Algunos métodos teóricos predicen una transición de fase subyacente en el límite hipotético de tiempos de relajación infinitamente largos. Ninguna evidencia experimental directa apoya la existencia de estas transiciones.Gotze, Wolfgang. "Complex Dynamics of Glass-Forming Liquids: A Mode-Coupling Theory." Ninguna evidencia experimental directa apoya la existencia de estas transiciones.
Propiedades características Coexistencia de fase