Transició de fase
En química, termodinàmica i atres camps relacionats, les transicions de fase (o canvis de fase) són els processos físics de transició entre un estat d'un mig, identificat per uns paràmetros, i un atre, en diferents valors dels paràmetros. El terme transició de fase s'usa més comunament per a descriure transicions entre estats sòlit, líquit i gaseós de la matèria, aixina com plasma en casos rars.
Per eixemple, una fase d'un sistema termodinàmic i els estats de la matèria tenen propietats físiques uniformes. Durant una transició de fase d'un mig dau, certes propietats del mig canvien, a sovint de manera discontínua, com a resultat del canvi d'alguna condició externa, com la temperatura, la pressió o unes atres. A modo d'eixemple, un líquit pot convertir-se en gas en calfar-se fins al punt d'ebullició, lo que resulta en un canvi abrupte en el volum. La medició de les condicions externes en les que es produïx la transformació es denomina transició de fase. Les transicions de fase comunament ocorren en la naturalea i s'usen hui en dia en moltes tecnologies.
Tipos de transició de fase
[editar | editar còdic]Els eixemples de transicions de fase inclouen:
- Les transicions entre el sòlit, líquit, i fases gaseoses d'un component solament, pels efectes de temperatura i/o pressió:
| Archiu:Four Fundamental States of Matter.png | a |-
aneu="33" |
Sòlit | Líquit | Gas | Plasma | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| De !
aneu="49" |Sòlit |
Fusió | Sublimació | |||||||
| Líquit | Solidificació | Vaporisació | |||||||
| Gas | Deposición | Condensació | Ionisació | ||||||
| Plasma | Recombinació | ||||||||
- Una transformació eutéctica, en la que un líquit monofásico de dos components es gela i es transforma en dos fases sòlides. El mateix procés, pero que comença en un sòlit en lloc d'un líquit, es denomina transformació eutectoide.
- Una transformació peritectica, en la qual un sòlit monofásico de dos components es calfa i es transforma en una fase sòlida i una fase líquida.
- Una descomposició espinodal, en la que una sola fase es gela i se separa en dos composicions diferents d'eixa mateixa fase.
- Transició a una mesofase entre sòlit i líquit, com una de les fases de "cristal líquit".
- La transició entre les fases ferromagnética i paramagnética dels materials magnètics en el punt de Curie.
- La transició entre estructures magnètiques, ordenades, proporcionades o no coordinades de manera diferent, com en l'antimoni de ceri.
- La transformació martensítica que es presenta com una de les moltes transformacions de fase en l'acer al carbono i s'erigix com un model per a les transformacions de fase de desplaçament.
- Canvis en l'estructura cristalográfica, com entre ferrita i austenita de ferro.
- Transicions d'orde-desorde com els aluminuros d'alfa-titani.
- La dependència de la geometria d'adsorció de la cobertura i la temperatura, com per al hidrogen sobre el ferro (110).
- L'aparició de superconductividad en certs metals i ceràmiques quan es gela per baix d'una temperatura crítica.
- La transició entre diferents estructures moleculars (polimorfos, alótropos o poliamorfos), especialment de sòlits, com entre una estructura amorfa i una estructura cristalina, entre dos estructures cristalines diferents o entre dos estructures amorfas.
- Condensació quàntica de decorreguts bosónicos (condensació de Bose-Einstein). La transició superfluida en heli líquit és un eixemple d'açò.
- La ruptura de simetria en les lleis de la física durant l'història primerenca de l'univers a mida que la seua temperatura es gela.
- El fraccionament d'isòtops ocorre durant una transició de fase, la proporció d'isòtops llaugers a pesats en les molècules involucrades canvia. Quan el vapor d'aigua es condensa (un fraccionament d'equilibri), els isòtops d'aigua més pesats (18O i 2H) s'enriquixen en la fase líquida, mentres que els isòtops més llaugers (16O i 1H) tendixen cap a la fase de vapor.[1]
Les transicions de fase es produïxen quan l'energia lliure termodinàmica d'un sistema no és analítica per a una selecció de variables termodinàmiques. Esta condició generalment es deriva de les interaccions d'una gran cantitat de partícules en un sistema i no apareix en sistemes que són massa menuts. És important tindre en conte que les transicions de fase poden ocórrer i es definixen per a sistemes no termodinàmics, a on la temperatura no és un paràmetro. Els eixemples inclouen: transicions de fase quàntica, transicions de fase dinàmiques i transicions de fase topològiques (estructurals). En estos tipos de sistemes atres paràmetros prenen el lloc de la temperatura. Per eixemple, la provabilitat de conexió reemplaça la temperatura de les rets de filtració.
En el punt de transició de fase (per eixemple, punt d'ebullició) les dos fases d'una substància, líquit i vapor, tenen energies lliures idèntiques i, per lo tant, és igualment provable que existixquen. Per baix del punt d'ebullició, el líquit és l'estat més estable dels dos, mentres que per damunt la forma gaseosa és la més estable.
A voltes és possible canviar l'estat d'un sistema diabáticamente (en lloc d'adiabáticamente) de tal manera que es puga passar més allà d'un punt de transició de fase sense sofrir una transició de fase. L'estat resultant és metaestable, és dir, menys estable que la fase en la que s'hauria produït la transició, pero tampoc inestable. Açò ocorre en el sobrecalentamiento, el sobreenfriamiento i la sobresaturación, per eixemple.
Classificacions
[editar | editar còdic]Classificació de Ehrenfest
[editar | editar còdic]Paul Ehrenfest va classificar les transicions de fase segons el comportament de l'energia lliure termodinàmica en funció d'atres variables termodinàmiques.[2] Baixe este esquema, les transicions de fase es varen marcar en la derivada més baixa de l'energia lliure que és discontínua en la transició. Les transicions de fase de primer orde exhibixen una discontinuïtat en la primera derivada de l'energia lliure sobre alguna variable termodinàmica.[3] Les diverses transicions sòlit/líquit/gas es classifiquen com a transicions de primer orde perque impliquen un canvi discontinu en la densitat, que és la (inversa de la) primera derivada de l'energia lliure sobre la pressió. Les transicions de fase de segon orde són contínues en la primera derivada (el paràmetro d'orde, que és la primera derivada de l'energia lliure sobre el camp extern, és contínua a lo llarc de la transició) pero exhibix discontinuïtat en una segona derivada de l'energia lliure. Estos inclouen la transició de fase ferromagnética en materials com el ferro, a on la magnetisació, que és la primera derivada de l'energia lliure sobre l'intensitat del camp magnètic aplicat, aumenta contínuament des de zero a mida que la temperatura descendix per baix de la temperatura de Curie. La susceptibilitat magnètica, la segona derivada de l'energia lliure en el camp, canvia de manera discontínua. Baixe l'esquema de classificació de Ehrenfest, en principi podria haver transicions de fase de tercer, quarto i orde superior.
Encara que és útil, s'ha trobat que la classificació de Ehrenfest és un método incomplet per a classificar les transicions de fase, ya que no té en conte el cas en que un derivat de l'energia lliure divergix (lo que solament és possible en el llímit termodinàmic). Per eixemple, en la transició ferromagnética, la capacitat calorífica divergix fins a l'infinit. El mateix fenomen també es veu en la transició de fase superconductora.
Classificacions modernes
[editar | editar còdic]En l'esquema de classificació modern, les transicions de fase es dividixen en dos grans categories, denominades de manera similar a les classes de Ehrenfest:
Les transicions de fase de primer orde són aquelles que involucren una calor latent. Durant tal transició, un sistema absorbix o llibera una cantitat fixa (i generalment gran) d'energia per volum. Durant este procés, la temperatura del sistema es mantindrà constant a mida que s'agregue calor: el sistema es troba en un "règim de fase mixta" en el que algunes parts del sistema han completat la transició i unes atres no. Eixemples familiars són la fusió del gèl o l'ebullició de l'aigua (l'aigua no es convertix instantàneament en vapor, sino que forma una mescla turbulenta d'aigua líquida i bombetes de vapor). Imry i Wortis varen demostrar que el trastorn extinguit pot ampliar una transició de primer orde. És dir, la transformació es completa en un ranc finito de temperatures, pero sobreviuen fenomens com el sobreenfriamiento i el sobrecalentamiento i s'observa una histéresis en els cicles tèrmics.[4][5][6]
Les transicions de fase de segon orde també es denominen transicions de fase contínua. Es caracterisen per una susceptibilitat divergent, una llongitut de correlació infinita i una decaiguda de la llei de potències de les correlació propenques a la criticidad. Eixemples de transicions de fase de segon orde són la transició ferromagnética, la transició superconductora (per a un Superconductor de tipo I, la transició de fase és de segon orde en el camp extern zero i per a un Superconductor de tipo II la transició de fase és de segon orde per a abdós estats (estat mixt i estat mixt - transicions d'estat superconductor) i la transició superfluida. En contrast en la viscosidad, l'expansió tèrmica i la capacitat tèrmica dels materials amorfos mostren un canvi relativament repentí a la temperatura de transició vítrea que permet una detecció precisa utilisant medicions de Calorimetria diferencial d'agranada.[7] Lev Landau va donar una teoria fenomenológica de les transicions de fase de segon orde.
A banda de les transicions de fase simples i aïllades, existixen llínees de transició aixina com punts multicríticos, en variar paràmetros externs com el camp magnètic o la composició.
Vàries transicions són conegudes com a transicions de fase d'orde infinit. Són continus pero no trenquen simetria. L'eixemple més famós és la transició de Kosterlitz-Thouless en el model XY bidimensional. Moltes transicions de fase quàntica, per eixemple, en gasos d'electrons bidimensionales, pertanyen a esta classe.
La transició vítrea s'observa en molts polímero i atres líquits que poden subenfriarse molt per baix del punt de fusió de la fase cristalina. Açò és atípic en varis aspectes. No és una transició entre els estats fonamentals termodinàmics: es creu àmpliament que l'estat fonamental verdader és sempre cristalí. El vidre és un estat de desorde gelat, i la seua entropía, densitat, etc., depenen de l'història tèrmica. Per lo tant, la transició vítrea és principalment un fenomen dinàmic: en gelar un líquit, els graus interns de llibertat es desequilibren successivament. Alguns métodos teòrics prediuen una transició de fase subjacent en el llímit hipotètic de temps de relaixació infinitament llarcs. Cap evidència experimental directa recolza l'existència d'estes transicions.[8][9] Cap evidència experimental directa recolza l'existència d'estes transicions.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Carol Kendall (2004). «Fundamentals of Stable Isotope Geochemistry». USGS. Consultat el 10 d'abril de 2014.
- ↑ “The Ehrenfest Classification of Phase Transitions: Introduction and Evolution” . Archive for History of Exact Sciences 53 (1): 51–81. doi:.
- ↑ Blundell, Stephen J. (2008). Concepts in Thermal Physics, Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856770-7.
- ↑ “Influence of quenched impurities on first-order phase transitions” (1979). Phys. Rev. B 19 (7): 3580–3585. doi:. Bibcode: 1979PhRvB..19.3580I.
- ↑ “Relating supercooling and glass-like arrest of kinetics for phase separated systems: DopedCeFe2and(La,Pr,Ca)MnO3” (2006). Physical Review B 73 (18): 184435. doi:. ISSN 1098-0121. Bibcode: 2006PhRvB..73r4435K.
- ↑ “Ordered, Disordered, and Coexistent Stable Vortex Lattices inNbSe2Single Crystals” (2008). Physical Review Letters 100 (24): 247003. doi:. ISSN 0031-9007. PMID 18643617. Bibcode: 2008PhRvL.100x7003P.
- ↑ “Ordering and structural changes at the glass-liquid transition” (2013). J. Senar-Cryst. Solids 382: 79–86. doi:. Bibcode: 2013JNCS..382...79O.
- ↑ Gotze, Wolfgang. "Complex Dynamics of Glass-Forming Liquids: A Mode-Coupling Theory."
- ↑ “Theory of Structural Glasses and Supercooled Liquids” (2007). Annual Review of Physical Chemistry 58: 235–266. doi:. PMID 17067282. Bibcode: 2007ARPC...58..235L.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Transición de fase» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.