Transición de fase

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La transición de fase (transformación de fase) en termodinámica  es la transición de una sustancia de una fase termodinámica a otra cuando cambian las condiciones externas. Desde el punto de vista del movimiento de un sistema a lo largo de un diagrama de fase con un cambio en sus parámetros intensivos ( temperatura , presión , etc.), una transición de fase ocurre cuando el sistema cruza la línea que separa dos fases. Dado que las diferentes fases termodinámicas se describen mediante diferentes ecuaciones de estado , siempre es posible encontrar una cantidad que cambie abruptamente durante una transición de fase.

Dado que la división en fases termodinámicas es una clasificación de estados más fina que la división en estados agregados de la materia, lejos de toda transición de fase va acompañada de un cambio en el estado agregado. Pero cualquier cambio en el estado de agregación es una transición de fase.

Las transiciones de fase más frecuentemente consideradas son aquellas con un cambio de temperatura, pero a una presión constante (generalmente igual a 1 atmósfera). Es por eso que a menudo se usan los términos "punto" (en lugar de línea) de una transición de fase, punto de fusión, etc.. Por supuesto, una transición de fase puede ocurrir tanto con un cambio en la presión como a temperatura y presión constantes, pero también con un cambio en la concentración de los componentes (por ejemplo, la aparición de cristales de sal en una solución que ha alcanzado la saturación).

Clasificación de las transiciones de fase

Durante una transición de fase del primer tipo , los parámetros primarios más importantes cambian abruptamente: volumen específico , cantidad de energía interna almacenada , concentración de componentes, etc. Destacamos: nos referimos a un cambio abrupto en estas cantidades cuando temperatura, presión, etc. ., y no un cambio brusco en el tiempo (para esto último, consulte la sección Dinámica de las transiciones de fase a continuación ).

Los ejemplos más comunes de transiciones de fase de primer orden son :

• fusión y cristalización
• evaporación y condensación
• sublimación y desublimación

Durante una transición de fase del segundo tipo , la densidad y la energía interna no cambian, por lo que tal transición de fase puede no ser perceptible a simple vista. El salto lo experimentan sus derivados con respecto a la temperatura y la presión: capacidad calorífica, coeficiente de dilatación térmica, susceptibilidades diversas, etc.

Las transiciones de fase del segundo tipo ocurren en aquellos casos en que cambia la simetría de la estructura de la materia ( la simetría puede desaparecer o disminuir por completo). La descripción de una transición de fase de segundo orden como consecuencia de un cambio de simetría viene dada por la teoría de Landau . En la actualidad, se acostumbra hablar no de un cambio de simetría, sino de la aparición de un parámetro de orden en el punto de transición . El valor del parámetro de orden se determina de tal forma que su valor en la fase asimétrica es diferente de cero, y es igual a cero en la fase simétrica. En otras palabras, la simetría del cuerpo aumenta cuando la igualdad se cumple estrictamente . Si hay una desviación arbitrariamente pequeña del parámetro de orden de cero, esto indica una disminución en la simetría. En el caso de continuo con tendencia a cero, estamos hablando de transiciones de fase del segundo tipo. Un cambio continuo de estado en el punto de una transición de fase de segundo orden implica un cambio continuo en las funciones termodinámicas en el mismo punto.

Los ejemplos más comunes de transiciones de fase de segundo orden son:

• paso del sistema a través de un punto crítico
• transición paramagnet - ferromagnet o paramagnet - antiferromagnet (parámetro de orden - magnetización )
• transición de metales y aleaciones al estado de superconductividad (el parámetro de orden es la densidad del condensado superconductor)
• transición del helio líquido al estado superfluido (el parámetro de orden es la densidad del componente superfluido)
• transición de materiales amorfos a un estado vítreo

La existencia de transiciones de fase de más del segundo orden aún no ha sido confirmada experimentalmente [1] [2] [3] [4] [5] . El análisis teórico no da ninguna razón para considerar que las transiciones de fase de orden superior son fundamentalmente imposibles [1] ( la condensación de Bose para un gas de bosones libres es un ejemplo de una transición de fase de tercer orden en un sistema termodinámico virtual [6] ), pero incluso para un transición de fase de tercer orden, las condiciones de equilibrio imponen restricciones tan fuertes sobre las propiedades de la materia que tales transiciones parecen factibles en principio, pero rara vez se realizan [2] .

Recientemente, se ha generalizado el concepto de transición de fase cuántica , es decir, una transición de fase controlada no por las fluctuaciones térmicas clásicas , sino por las cuánticas, que existen incluso a temperaturas de cero absoluto , donde la transición de fase clásica no se puede realizar debido a la Nernst. teorema _

Dinámica de las transiciones de fase

Como se mencionó anteriormente, un salto en las propiedades de una sustancia significa un salto con un cambio de temperatura y presión. En realidad, al actuar sobre el sistema, no cambiamos estas cantidades, sino su volumen y su energía interna total. Este cambio siempre ocurre a una tasa finita, lo que significa que para “cubrir” toda la brecha en densidad o energía interna específica, necesitamos un tiempo finito. Durante este tiempo, la transición de fase no ocurre inmediatamente en todo el volumen de la sustancia, sino gradualmente. En este caso, en el caso de una transición de fase del primer tipo, se libera (o se quita) cierta cantidad de energía, que se denomina calor de transición de fase . Para que la transición de fase no se detenga, es necesario eliminar (o suministrar) continuamente este calor, o compensarlo realizando un trabajo en el sistema.

Como resultado, durante este tiempo, el punto del diagrama de fase que describe el sistema se "congela" (es decir, la presión y la temperatura permanecen constantes) hasta que se completa el proceso.

Notas

1. ↑ 1 2 Aleshkevich V. A., Física molecular, 2016 , p. 241.
2. ↑ 1 2 Gukhman A. A., Sobre los fundamentos de la termodinámica, 2010 , p. 300.
3. ↑ Karyakin N.V., Fundamentos de la termodinámica química, 2003 , p. 210.
4. ↑ Poltorak O. M., Termodinámica en química física, 1991 , p. 131.
5. ↑ Novikov II, Termodinámica, 1984 , p. 249.
6. ↑ Yu. B. Rumer, M. Sh. Ryvkin, Termodinámica, física estadística y cinética, 2000 , p. 270.

Literatura

• Aleshkevich V. A. Física molecular. - M. : Fizmatlit, 2016. - 308 p. — (Curso universitario de física general). — ISBN 978-5-9221-1696-1 .
• Bazarov I.P. Termodinámica.  - San Petersburgo: Editorial Lan, 2010. - 384 p.
• Bazarov IP Delirios y errores en termodinámica. ed. 2da rev. - M. : Editorial URSS, 2003. 120 p.
• Gukhman A. A. Sobre los fundamentos de la termodinámica. — 2ª ed., corregida. - M. : Editorial LKI, 2010. - 384 p. — ISBN 978-5-382-01105-9 .
• Karyakin NV Fundamentos de termodinámica química. - M. : Academia, 2003. - 463 p. — (Educación profesional superior). — ISBN 5-7695-1596-1 .
• Kvasnikov IA Termodinámica y física estadística. V.1: Teoría de los sistemas en equilibrio: Termodinámica. - Volúmen 1. ed. 2, rev. y adicional - M. : URSS, 2002. 240 p.
• Novikov I. I. Termodinámica. - M. : Mashinostroenie, 1984. - 592 p.
• Poltorak OM Termodinámica en química física. - M. : Escuela superior, 1991. - 320 p. — ISBN 5-06-002041-X .
• Rumer Yu. B. , Ryvkin M. Sh. Termodinámica, física estadística y cinética. — 2ª ed., corregida. y adicional - Novosibirsk: Editorial Nosib. un-ta, 2000. - 608 p. — ISBN 5-7615-0383-2 .
• Stanley. D. Transiciones de fase y fenómenos críticos. — M .: Mir, 1973.
• Patashinsky AZ, Pokrovskiy VL Teoría de la fluctuación de las transiciones de fase. — M .: Nauka, 1981.
• Gufan Yu. M. . Teoría termodinámica de las transiciones de fase. - Rostov n / a: Editorial de la Universidad de Rostov, 1982. - 172 p.
• Sinai Ya. G. Teoría de las transiciones de fase. - M., Nauka, 1980. - 208 p.

Estados termodinámicos de la materia
Estados de fase	Estado de agregación Equilibrio de fase Regla de fase diagrama de fases Ecuación de estado Sólido cristales monocristal policristalino Cristalito mesofase Cuerpos amorfos estado vítreo Cristal liquido nemático esméctico colestérico Fase columnar mesógeno Membrana Líquido Fluido ideal Estado metaestable líquido sobrecalentado liquido sobreenfriado líquido estirado Fusión de un reactor fluido supercrítico Gas Gas ideal gasolina de verdad Vapor Vapor saturado vapor supercalentado vapor sobresaturado Plasma electromagnético Plasma de quarks-gluones Glazma Baja temperatura condensado bose condensado fermiónico gas cuántico gas bose gas fermi gas degenerado líquido cuántico liquido bose liquido fermi sólido superfluido Fenómenos superfluidez Superconductividad Otro asunto extraño molécula fotónica condensado de vidrio de color
Transiciones de fase	primer tipo Fusión / Cristalización Temperatura de fusión Sublimación / Desublimación Ionización / Recombinación Condensación / Evaporación Hirviendo vaporización Temperatura de ebullición Punto crítico triple punto Calor de transición de fase transformación martensítica eutéctico Mezcla azeotrópica segundo tipo Fenómenos críticos punto de curiosidad punto de neel en fenómenos eléctricos ferroeléctrico Antiferroeléctrico en fenómenos magnéticos ferroimanes Paraimanes Antiferroimanes cuántico punto lambda
Sistemas dispersos	Geles aerogel Soluciones sistemas coloidales grueso coloidal libremente dispersado Sol Lata de aerosol Fumar Polvo Niebla neblina Suspensión Emulsión
ver también	Condiciones normales y estándar Estadísticas de Fermi-Dirac Estadísticas de Bose-Einstein

Termodinámica
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