¿Qué son los Fenómenos de transición de fase?

Fenómenos de transición de fase

Definición

Los fenómenos de transición de fase se refieren a los procesos mediante los cuales un sistema físico cambia de un estado de agregación o fase a otro, como por ejemplo de sólido a líquido o de líquido a gas. Durante estas transiciones, las propiedades macroscópicas del sistema, como densidad, estructura molecular o capacidad calorífica, sufren cambios abruptos o graduales. Estos fenómenos son estudiados desde un enfoque termodinámico, estadístico y molecular.

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Fases de la materia

Las principales fases de la materia incluyen:

1. Sólido: Estructura ordenada y rígida.
2. Líquido: Estructura menos ordenada, con movilidad molecular.
3. Gas: Moléculas dispersas y de alta movilidad.
4. Plasma: Gas ionizado con partículas cargadas.

Además, existen fases más complejas como los condensados de Bose-Einstein y las fases cuánticas topológicas, relevantes a temperaturas extremas o condiciones cuánticas.

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Clasificación de transiciones de fase

1. Transiciones de fase de primer orden

Estas transiciones se caracterizan por un cambio abrupto en las propiedades macroscópicas, como la densidad o el volumen, y están asociadas con la absorción o liberación de calor (calor latente).

• Características:
  • Existe una discontinuidad en la primera derivada de la energía libre (GG) respecto a variables termodinámicas como temperatura (TT) o presión (PP).
  • Ocurre una coexistencia de fases durante la transición (por ejemplo, agua líquida y vapor en ebullición).
• Ejemplos:
  • Fusión (sólido a líquido).
  • Evaporación (líquido a gas).
  • Sublimación (sólido a gas).

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2. Transiciones de fase de segundo orden

Estas transiciones no implican calor latente, pero las propiedades del sistema, como la capacidad calorífica o la susceptibilidad magnética, muestran divergencias o discontinuidades.

• Características:
  • Las primeras derivadas de la energía libre son continuas, pero las segundas derivadas presentan discontinuidades.
  • Se asocian a fenómenos de fluctuación y ordenamiento a nivel microscópico.
• Ejemplos:
  • Transición ferromagnética a paramagnética (punto de Curie).
  • Transición de superconductividad.

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3. Transiciones continuas o críticas

Estas transiciones representan un cambio gradual y continuo en las propiedades del sistema, asociado con fenómenos de orden-desorden en estructuras moleculares.

• Ejemplo:
  • Punto crítico en el cambio de líquido a gas, donde desaparecen las diferencias entre ambas fases.

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Termodinámica de las transiciones de fase

Energía libre de Gibbs (GG)

La transición de fase ocurre cuando la energía libre de Gibbs de dos fases es igual, es decir, las fases están en equilibrio. Esto se expresa como: {eq}Gfase 1=Gfase 2G_{\text{fase 1}} = G_{\text{fase 2}}{/eq}

Condiciones de equilibrio

• A temperatura constante: {eq}P1=P2P_1 = P_2{/eq} (presión igual).
• A presión constante: {eq}T1=T2T_1 = T_2{/eq} (temperatura igual).

Calor latente

Durante una transición de primer orden, la cantidad de calor absorbida o liberada es: {eq}L=TΔSL = T \Delta S{/eq}

Donde:

• {eq}LL{/eq}: Calor latente.
• {eq}ΔS\Delta S{/eq}: Cambio de entropía.

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Modelos teóricos para transiciones de fase

1. Modelo de Ising

• Describe transiciones de fase en sistemas magnéticos mediante un conjunto de espines que interactúan localmente.
• Útil para entender transiciones de segundo orden.

2. Teoría de Landau

• Explica las transiciones de fase en términos de un parámetro de orden, que mide el grado de orden en el sistema.
• Ejemplo: Magnetización para un material ferromagnético.

3. Teoría de Fluctuaciones Críticas

• En transiciones continuas, las propiedades del sistema están dominadas por fluctuaciones microscópicas cerca del punto crítico.

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Ejemplos prácticos de transiciones de fase

1. Agua:
   • Transición sólido-líquido (fusión) a 0°C y 1 atm.
   • Transición líquido-gas (ebullición) a 100°C y 1 atm.
   • Sublimación del hielo seco (CO₂ sólido).
2. Fenómenos magnéticos:
   • Transición de un material ferromagnético a paramagnético.
3. Superconductores:
   • Transición a un estado sin resistencia eléctrica por debajo de la temperatura crítica.
4. Condensados de Bose-Einstein:
   • Transición a un estado cuántico macroscópico a temperaturas cercanas al cero absoluto.

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Conclusión

Los fenómenos de transición de fase reflejan cambios fundamentales en la organización de partículas en un sistema físico. Estos fenómenos son esenciales para comprender procesos naturales y tecnológicos, desde la climatología (formación de hielo y vapor) hasta la electrónica (transiciones cuánticas). Su estudio combina termodinámica, física estadística y mecánica cuántica, proporcionando herramientas para avanzar en la ciencia básica y aplicada.