Transició de fase

En termodinàmica, una transició de fase és la transformació d'un sistema termodinàmic d'una fase a una altra. Un exemple són els canvis d'estat (transicions entre els estats d'agregació de la matèria), encara que el concepte també es refereix a qualsevol altra transformació entre fases.

Tipus de transició de fase

Estats de la matèria

Les transicions de fase es refereixen habitualment a quan una substància es transforma entre un dels quatre estats de la matèria a un altre. En el punt de transició de fase d'una substància, per exemple el punt d'ebullició, les dues fases implicades: líquid i vapor, tenen energies lliures idèntiques i, per tant, és igual de probable que existeixin. Per sota del punt d'ebullició, el líquid és l'estat més estable dels dos, mentre que per sobre del punt d'ebullició la forma gasosa és la més estable.

Les transicions comunes entre les fases sòlida, líquida i gasosa d'un sol component, a causa dels efectes de la temperatura i/o la pressió s'identifiquen a la taula següent:

Transicions de fase de la matèria
		Sòlid	Líquid	Gas	Plasma
		a
De	Sòlid		Fusió	Sublimació
	Líquid	Solidificació		Vaporització
	Gas	Deposició	Deposició		Ionització
	Plasma			Recombinació

Per a un sol component, la fase més estable a diferents temperatures i pressions es pot mostrar en un diagrama de fases. Aquest diagrama sol representar estats en equilibri. Una transició de fase sol produir-se quan la pressió o la temperatura canvia i el sistema travessa d'una regió a una altra, com l'aigua que passa de líquid a sòlid tan aviat com la temperatura baixa per sota del punt de congelació. A excepció del cas habitual, de vegades és possible canviar l'estat d'un sistema diabàtic (en contraposició a adiabàtic) de manera que es pugui superar el punt de transició d'una fase sense patir una transició de fase. L'estat resultant és metaestable, és a dir, menys estable que la fase a la qual s'hauria produït la transició, però tampoc inestable. Això passa en sobreescalfament i sobrerefrigeració, per exemple. Els estats metaestables no apareixen als diagrames de fase habituals.

Exemples de transicions de fase

Canvis d'estat: Transicions entre els estats d'agregació de la matèria: sòlid, líquid, gas i plasma, en una substància.
Una transformació eutéctica, en la qual els dos components de la mescla canvien d'estat d'agregació.
La transició entre les fases ferromagnètica i paramagnética.
L'aparició de superconductivitat en alguns metalls, per sota de la temperatura crítica.
La transició entre algunes estructures moleculars, o entre algunes estructures cristalográfiques.
La condensació de Bose-Einstein.
En els primers instants de l'univers, ruptura de simetries en les lleis físiques a mesura que es refreda l'univers:
- Ruptura de la gran unificació.
- Separació força feble-força electromagnètica.
En l'univers primitiu:
- Desacoblament dels neutrins.
- Nucleosíntesi
- Desacoblament radiació-matèria.

Fonaments

Els sistemes termodinàmics estan caracteritzats, entre altres paràmetres, per un paràmetre d'ordre. Aquest paràmetre d'ordre depèn de diversos factors. Per exemple, per regla general, augmenta (sistema més ordenat) a mesura que descendeix la temperatura. Aquesta dependència és deguda al fet que les forces de cohesió prevalen sobre el moviment tèrmic, a mesura que aquest disminueix.

En l'equilibri cada fase té unes propietats termodinàmiques definides, com el paràmetre d'ordre. En la coexistència, les fases poden intercanviar energia i matèria, per la qual cosa en l'equilibri els potencials químics $\mu$ de les diferents fases són iguals. Per tant, en una transició de fase han de canviar contínuament tant el potencial de Gibbs G, com $\mu$ .

Relació amb la grandària del sistema

Les transicions de fase ocorren quan l'energia lliure d'un sistema no és una funció analítica, en relació a algunes variables termodinàmiques. Això succeeix en sistemes amb un gran nombre de partícules.

Classificació

Les transicions es classifiquen segons la continuïtat de les derivades del potencial de Gibbs G:

Transicions de fase de primer ordre: La primera derivada de G és discontínua. Solen caracteritzar-se per l'existència de calor latent: En la transició, el sistema absorbeix o allibera una quantitat d'energia proporcional a la seva mida. Durant aquest procés, la temperatura del sistema roman constant malgrat la transmissió de calor. Com l'energia no es pot transmetre instantàniament, durant la transició coexisteixen regions o dominis amb diferents fases.

Per a valors dels paràmetres suficientment propers a la coexistència de fases, l'energia interna G respecte a un paràmetre no natural $X_{j}$ presenta dos mínims: un de global que caracteritza l'estat estable, i un altre de local que caracteritza un estat metaestable. El sistema en equilibri es troba en l'estat estable, però una pertorbació suficient pot dur un subsistema a l'estat metaestable. No obstant això, una pertorbació menor el retornarà l'estat estable. En la coexistència de fases, els dos mínims tenen el mateix valor. A cada mínim li correspon un valor determinat del paràmetre d'ordre, per això la coexistència de fases.

Exemple de transicions de primer ordre són els canvis d'estat: L'evaporació, liqüefacció, fusió, ebullició o la sublimació.

Transicions de fase d'ordre superior o contínues: La primera derivada de G és contínua. No tenen associat una calor latent. En les transicions de segon ordre la segona derivada de G és discontínua.

Exemples d'ordre superior són la transició ferromagnètica-paramagnética o la condensació de Bose-Einstein.

Punt crític

El pas d'una transició d'un ordre a un altre pot tenir lloc en un sistema, això es produeix en el punt crític. Per exemple, en relació als estats d'agregació de la matèria, per a un sistema donat, hi ha una combinació de valors de pressió i temperatura (anomenada punt crític), a partir de la qual la transició de líquid a gas passa a ser una transició de segon ordre. En aquest punt, les densitats del líquid i del gas s'igualen.

Referències

Bibliografia

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. i Lifshitz, I.M., Statistical Physics Part 1, vol. 5 of Course of Theoretical Physics, Pergamon, 3rd Ed. (1994). En castellà editat per Reverté.
Kleinert, H., Critical Properties of φ4-Theories, World Scientific (Singapore, 2001); Paperback ISBN 981-02-4659-5 (llegible en línia aquí).
Kleinert, H. i Verena Schulte-Frohlinde, Gauge Fields in Condensed Matter, Vol. I, "SUPERFLOW AND VORTEX LINES; Disorder Fields, Phase Transitions,", pàg. 1--742, World Scientific (Singapur, 1989); Paperback ISBN 9971-5-0210-0 (llegible en línia aquí)

Vegeu també