Transición de fase

En termodinámica, una transición de fase es la transformación de un sistema termodinámico de una fase a otra. Un ejemplo son los cambios de estado (transiciones entre los estados de agregación de la materia), aunque el concepto también se refiere a cualquier otra transformación entre fases.

Ejemplos de transiciones de fase

• Cambios de estado: Transiciones entre los estados de agregación de la materia: sólido, líquido, gas y plasma, en una sustancia.
• Una transformación eutéctica, en la que los dos componentes de la mezcla cambian de estado de agregación.
• La transición entre las fases ferromagnética y paramagnética.
• La aparición de superconductividad en algunos metales, por debajo de la temperatura crítica.
• La transición entre algunas estructuras moleculares, o entre algunas estructuras cristalográficas.
• La condensación de Bose-Einstein.
• En los primeros instantes del universo, ruptura de simetrías en las leyes físicas conforme se enfría el universo:
  • Ruptura de la gran unificación.
  • Separación fuerza débil-fuerza electromagnética.
• En el universo primitivo:
  • Desacople de los neutrinos.
  • Nucleosíntesis
  • Desacople radiación-materia.

Fundamentos

Los sistemas termodinámicos están caracterizados, entre otros parámetros, por un parámetro de orden. Este parámetro de orden depende de varios factores. Por ejemplo, por regla general, aumenta (sistema más ordenado) según desciende la temperatura. Esta dependencia es debida a que las fuerzas de cohesión prevalecen sobre el movimiento térmico, según disminuye éste.

En el equilibrio cada fase tiene unas propiedades termodinámicas definidas, como el parámetro de orden. En la coexistencia, las fases pueden intercambiar energía y materia, por lo que en el equilibrio los potenciales químicos μ de las diferentes fases son iguales. Por lo tanto, en una transición de fase deben cambiar continuamente tanto el potencial de Gibbs G, como μ.

Relación con el tamaño del sistema

Las transiciones de fase ocurren cuando la energía libre de un sistema no es una función analítica, en relación a algunas variables termodinámicas. Esto sucede en sistemas con un gran número de partículas.

Clasificación

Las transiciones se clasifican según la continuidad de las derivadas del potencial de Gibbs G:

Transiciones de fase de primer orden: La primera derivada de G es discontinua. Suelen caracterizarse por la existencia de calor latente: En la transición, el sistema absorbe o libera una cantidad de energía proporcional al tamaño de éste. Durante este proceso, la temperatura del sistema permanece constante pese a la transmisión de calor. Como la energía no se puede transmitir instantáneamente, durante la transición coexisten regiones o dominios con diferentes fases.

Para valores de los parámetros suficientemente próximos a la coexistencia de fases, la energía interna G respecto a un parámetro no natural X_j presenta dos mínimos: Uno global que caracteriza al estado estable, y otro local que caracteriza a un estado metaestable. El sistema en equilibrio se encuentra en el estado estable, pero una perturbación suficiente puede llevar a un subsistema al estado metaestable. No obstante, una perturbación menor lo devolverá el estado estable. En la coexistencia de fases, los dos mínimos tienen el mismo valor. A cada mínimo le corresponde un valor determinado del parámetro de orden, de ahí la coexistencia de fases.

Ejemplo de transiciones de primer orden son los cambios de estado: La evaporación, licuefacción, fusión, ebullición o la sublimación.

Transiciones de fase de orden superior o continuas: La primera derivada de G es continua. No tienen asociado un calor latente. En las transiciones de segundo orden la segunda derivada de G es discontinua.

Ejemplos de orden superior son la transición ferromagnética-paramagnética o la condensación de Bose-Einstein.

Punto crítico

El paso de una transición de un orden a otro puede tener lugar en un sistema, esto se produce en el punto crítico. Por ejemplo, en relación a los estados de agregación de la materia, para un sistema dado, hay una combinación de valores de presión y temperatura (llamada punto crítico), a partir de la cual la transición de líquido a gas pasa a ser una transición de segundo orden. En ese punto, las densidades del líquido y del gas se igualan.

Véase también

• Cosmología
• Modelo de Ising
• Transición de fase cuántica
• Exponente crítico

Referencias

• Anderson, P.W., Basic Notions of Condensed Matter Physics, Perseus Publishing (1997).
• Goldenfeld, N., Lectures on Phase Transitions and the Renormalization Group, Perseus Publishing (1992).
• Krieger, Martin H., Constitutions of matter : mathematically modelling the most everyday of physical phenomena, University of Chicago Press, 1996.
• Landau, L.D. and Lifshitz, E.M., Statistical Physics Part 1, vol. 5 of Course of Theoretical Physics, Pergamon, 3rd Ed. (1994). En castellano editado por Reverté.
• Kleinert, H., Critical Properties of φ⁴-Theories, World Scientific (Singapore, 2001); Paperback ISBN 981-02-4659-5 (readable online here).
• Kleinert, H. and Verena Schulte-Frohlinde, Gauge Fields in Condensed Matter, Vol. I, "SUPERFLOW AND VORTEX LINES; Disorder Fields, Phase Transitions,", pp. 1--742, World Scientific (Singapore, 1989); Paperback ISBN 9971-5-0210-0 (readable online here)