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.

Exemples de transicions de fase[modifica]

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[modifica]

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[modifica]

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[modifica]

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[modifica]

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.

Bibliografia[modifica]

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[modifica]