Transición de fase (Phase transition)

En física, química y biología, una transición de fase (o cambio de fase) denota la transformación física de un estado de un medio a otro. Normalmente, este término describe alteraciones entre los estados fundamentales de la materia: sólido, líquido, gaseoso y, con menos frecuencia, plasma. Tanto la fase de un sistema termodinámico como los estados de la materia se caracterizan por propiedades físicas uniformes. Durante una transición de fase, las propiedades específicas de un medio sufren modificaciones en respuesta a cambios en parámetros externos, como la temperatura o la presión. Tales transformaciones pueden ser discontinuas; por ejemplo, un líquido calentado hasta su punto de ebullición puede convertirse abruptamente en gas, provocando una repentina expansión de volumen. Las condiciones externas precisas bajo las cuales se manifiesta dicha transformación definen el punto de transición de fase.

En física, química y biología, una transición de fase (o cambio de fase) es el proceso físico de transición entre un estado de un medio y otro. Comúnmente el término se usa para referirse a cambios entre los estados básicos de la materia: sólido, líquido y gaseoso y, en casos raros, plasma. Una fase de un sistema termodinámico y los estados de la materia tienen propiedades físicas uniformes. Durante una transición de fase de un medio determinado, ciertas propiedades del medio cambian como resultado del cambio de condiciones externas, como la temperatura o la presión. Este puede ser un cambio discontinuo; por ejemplo, un líquido puede convertirse en gas al calentarlo hasta su punto de ebullición, lo que produce un cambio abrupto de volumen. La identificación de las condiciones externas en las que se produce una transformación define el punto de transición de fase.

Tipos

Estados de la materia

Las transiciones de fase suelen describir la transformación de una sustancia de uno de sus cuatro estados fundamentales de la materia a otro. En el punto de transición de fase de una sustancia, como su punto de ebullición, las dos fases coexistentes (por ejemplo, líquida y vapor) poseen energías libres idénticas, lo que indica una probabilidad igual de su existencia. Por debajo de este punto, la fase líquida es termodinámicamente más estable, mientras que por encima predomina la forma gaseosa.

Las transiciones comunes que ocurren entre las fases sólida, líquida y gaseosa de un solo componente, influenciadas por la temperatura y/o la presión, se delinean en la siguiente tabla:

Para un sistema de un solo componente, la fase más estable a diferentes temperaturas y presiones se puede representar gráficamente en un diagrama de fases. Estos diagramas suelen ilustrar estados de equilibrio. Una transición de fase generalmente se manifiesta cuando las alteraciones en la presión o la temperatura hacen que el sistema atraviese de una región a otra, ejemplificado por el agua que se solidifica cuando su temperatura cae por debajo del punto de congelación. Sin embargo, existe una excepción a esta regla general: el estado de un sistema a veces puede alterarse diabáticamente (en lugar de adiabáticamente), lo que le permite evitar un punto de transición de fase sin sufrir la transformación esperada. El estado resultante es metaestable, lo que significa que es menos estable que la fase que se habría formado, pero no es inherentemente inestable. Los ejemplos incluyen sobrecalentamiento y sobreenfriamiento. Los diagramas de fases convencionales no suelen representar estados metaestables.

Estructural

Las transiciones de fase también pueden implicar que un sólido adopte una disposición estructural diferente sin alterar su composición química. Para los elementos, este fenómeno se denomina alotropía, mientras que para los compuestos se denomina polimorfismo. Las transformaciones de una estructura cristalina a otra, de un sólido cristalino a un sólido amorfo, o entre diferentes estructuras amorfas (poliamorfas), son ejemplos de transiciones de fase sólido a sólido.

La transformación martensítica, un ejemplo destacado entre numerosas transformaciones de fase en el acero al carbono, sirve como modelo para las transiciones de fase desplazables. Otros ejemplos incluyen transiciones de orden-desorden, observadas en materiales como los aluminuros de alfa-titanio. Al igual que los estados de la materia, las transiciones de fase estructural también pueden implicar una transformación de una fase metaestable a una de equilibrio. Un polimorfo metaestable, que se forma rápidamente debido a su menor energía superficial, eventualmente se convertirá en una fase de equilibrio siempre que se suministre la energía térmica adecuada para superar una barrera energética.

Numerosos materiales microporosos dinámicos o blandos demuestran transiciones de fase estructural entre sus configuraciones cerradas y abiertas. En particular, las estructuras metal-orgánicas (MOF) han sido objeto de extensas investigaciones sobre este comportamiento característico. El paisaje de fases resultante puede ser intrincado y a menudo revela fases intermedias. Estudios adicionales indican que las moléculas invitadas son capaces de estabilizar fases particulares, lo que lleva a configuraciones cristalinas que dependen de la composición atmosférica ambiental.

Magnético

Las transiciones de fase también pueden caracterizar transformaciones entre distintos tipos de ordenamiento magnético. El ejemplo más reconocido es la transición entre las fases ferromagnética y paramagnética de los materiales magnéticos, que se manifiesta en el punto Curie. Otro ejemplo implica la transición entre varias estructuras magnéticas ordenadas, ya sean proporcionales o inconmensurables, como se observa en el antimonuro de cerio. El modelo de Ising ofrece un marco simplificado pero muy eficaz para comprender las transiciones de fase magnética.

Mezclas

Las transiciones de fase en soluciones y mezclas presentan una mayor complejidad en comparación con las observadas en compuestos individuales. Mientras que las sustancias químicamente puras suelen mostrar un punto de fusión distinto entre sus fases sólida y líquida, las mezclas pueden exhibir un punto de fusión singular, denominado fusión congruente, o poseer temperaturas líquidas y sólidas distintas. Este último escenario da como resultado un rango de temperatura donde coexisten en equilibrio las fases sólida y líquida, un fenómeno que se observa frecuentemente en soluciones sólidas donde los componentes constituyentes son isoestructurales.

Varias transiciones de fase involucran tres fases distintas. Una transformación eutéctica ocurre cuando un líquido monofásico de dos componentes se enfría y se convierte en dos fases sólidas. Por el contrario, una transformación eutectoide describe un proceso análogo que se inicia a partir de un sólido en lugar de un líquido. Una transformación peritéctica implica el calentamiento de un sólido monofásico de dos componentes, transformándolo posteriormente en una fase sólida y una fase líquida. Una reacción peritectoide es similar a una reacción peritectica pero involucra exclusivamente fases sólidas. Finalmente, una reacción monotéctica implica un cambio de una fase líquida a una combinación de una fase sólida y una segunda fase líquida, donde las dos fases líquidas exhiben una brecha de miscibilidad.

La separación en múltiples fases también puede manifestarse a través de la descomposición espinodal, un proceso en el que una sola fase se enfría y posteriormente se divide en dos composiciones distintas.

También son posibles mezclas en desequilibrio, como las que se encuentran en la sobresaturación.

Más ejemplos de transiciones de fase

La transición a una mesofase, un estado intermedio entre sólido y líquido, ejemplificada por varias fases de cristal líquido.

• Transición a una mesofase entre sólido y líquido, como una de las fases de "cristal líquido".
• La dependencia de la geometría de adsorción tanto de la cobertura de la superficie como de la temperatura, como se observa con hidrógeno adsorbido en una superficie de hierro (110).
• La aparición de superconductividad en metales y materiales cerámicos específicos al enfriarse por debajo de una temperatura crítica.
• La manifestación de propiedades metamateriales dentro de medios fotónicos artificiales cuando se ajustan sus parámetros constituyentes.
• Condensación cuántica de fluidos bosónicos, específicamente la condensación de Bose-Einstein, con la transición superfluida en helio líquido como ejemplo principal.
• La ruptura de simetría en las leyes fundamentales de la física que se produjo durante el universo primitivo a medida que disminuía su temperatura.
• El fraccionamiento de isótopos, un proceso en el que se altera la proporción de isótopos ligeros y pesados en las moléculas constituyentes, tiene lugar durante una transición de fase. Por ejemplo, durante la condensación de vapor de agua (un fraccionamiento de equilibrio), los isótopos de agua más pesados ​​(¹⁸O y ²H) se concentran en la fase líquida, mientras que los isótopos más ligeros (¹⁶O y §67§H) permanecen preferentemente en la fase de vapor.

Las transiciones de fase se manifiestan cuando la energía libre termodinámica de un sistema exhibe un comportamiento no analítico para una selección particular de variables termodinámicas (fases de referencia). Este fenómeno surge típicamente de las interacciones extensas entre numerosas partículas dentro de un sistema y está ausente en los sistemas de pequeña escala. Además, pueden ocurrir transiciones de fase en sistemas no termodinámicos donde la temperatura no es un parámetro rector. Los ejemplos ilustrativos incluyen transiciones de fase cuánticas, transiciones de fase dinámicas y transiciones de fase topológicas (estructurales). En tales sistemas, parámetros alternativos, como la probabilidad de conexión en redes de percolación, sustituyen a la temperatura.

Clasificaciones de transiciones de fase

Clasificación Ehrenfest

Paul Ehrenfest estableció un sistema de clasificación para las transiciones de fase, basado en el comportamiento de la energía libre termodinámica en función de otras variables termodinámicas. La clasificación de Ehrenfest abarca tanto transiciones de fase donde la derivada más baja de la energía libre es discontinua en el punto de transición, como transformaciones de fase continuas, caracterizadas por un cambio en el carácter de enlace de un material sin ninguna discontinuidad en sus derivadas de energía libre.

Dentro del esquema de clasificación de Ehrenfest, las transiciones de fase discontinuas se clasifican según la derivada más baja de la energía libre que exhibe discontinuidad en el punto de transición; por ejemplo, las transiciones de fase de primer orden demuestran una discontinuidad en la primera derivada de la energía libre con respecto a una variable termodinámica específica. Las transiciones comunes sólido-líquido-gas se clasifican como de primer orden porque implican un cambio abrupto de densidad, que corresponde a la inversa de la primera derivada de la energía libre con respecto a la presión. Las transiciones de fase de segundo orden mantienen continuidad en la primera derivada (donde el parámetro de orden, definido como la primera derivada de la energía libre con respecto al campo externo, permanece continuo a lo largo de la transición) pero muestran una discontinuidad en una segunda derivada de la energía libre. Tales transiciones abarcan la transición de fase ferromagnética en materiales como el hierro, donde la magnetización (la primera derivada de la energía libre con respecto a la intensidad del campo magnético aplicado) aumenta continuamente desde cero a medida que la temperatura cae por debajo del punto de Curie; al mismo tiempo, la susceptibilidad magnética, que es la segunda derivada de la energía libre con respecto al campo, sufre un cambio discontinuo.

El esquema de Ehrenfest teóricamente permite transiciones de fase de tercer, cuarto y orden superior; sin embargo, las observaciones empíricas revelan predominantemente sólo transiciones de fase de primer y segundo orden. Las excepciones notables comprenden la transición de fase Gross-Witten-Wadia en la cromodinámica cuántica de red 2-D, identificada como una transición de fase de tercer orden, y la distribución de Tracy-Widom, que puede interpretarse como una transición de tercer orden. Los puntos de Curie de muchos ferromagnéticos también se consideran transiciones de tercer orden, lo que se evidencia por un cambio abrupto en la pendiente de su capacidad calorífica específica.

El concepto de transición de fase de segundo orden inicialmente enfrentó controversia, ya que parecía necesitar dos "hojas" de energía libre de Gibbs para oscular con precisión, una condición considerada improbable hasta el punto de ser prácticamente imposible. Cornelis Gorter abordó esta crítica postulando que la superficie de energía libre de Gibbs podría poseer dos láminas en un lado pero solo una lámina en el otro, lo que resulta en una morfología bifurcada.

El caso inicial de una transición de fase que se desvió de la clasificación de Ehrenfest se identificó a través de la solución exacta del modelo de Ising, desarrollado por Lars Onsager en 1944. El calor específico exacto divergió de las aproximaciones anteriores de campo medio, que habían pronosticado una discontinuidad a la temperatura crítica. Por el contrario, el calor específico preciso mostró una divergencia logarítmica en este punto crítico. Posteriormente, a lo largo de varias décadas, la clasificación de Ehrenfest fue reemplazada por un marco más simplificado capaz de acomodar este tipo de transiciones.

Clasificaciones modernas

Dentro de los marcos de clasificación contemporáneos, las transiciones de fase se clasifican en dos tipos principales, con una nomenclatura análoga al esquema de Ehrenfest:

Las transiciones de fase de primer orden se caracterizan por la participación de calor latente. Durante tal transición, un sistema absorbe o libera una cantidad específica (y típicamente sustancial) de energía por unidad de volumen. A lo largo de este proceso, la temperatura del sistema permanece constante a pesar del aporte continuo de calor. Esto indica un "régimen de fase mixta", en el que ciertas partes del sistema han pasado por la transición mientras que otras no. Las ilustraciones comunes incluyen el derretimiento del hielo y la ebullición del agua. Por ejemplo, el agua no se convierte instantáneamente en vapor, sino que forma una mezcla turbulenta de fases líquida y gaseosa.

Las investigaciones primarias indican que el desorden apagado puede ampliar el rango de temperatura de una transición de primer orden. Específicamente, mientras la transformación ocurre a lo largo de un intervalo de temperatura finito, fenómenos como el sobreenfriamiento y el sobrecalentamiento persisten, y la histéresis es evidente durante el ciclo térmico.

Transición de fase de segundo ordens, también conocida como "transiciones de fase continua", se definen por una susceptibilidad divergente (que representa el cambio en una propiedad extensiva debido a la variación de una propiedad intensiva), una longitud de correlación y una decadencia de las correlaciones según la ley de potencia en las proximidades de la criticidad. Los ejemplos ilustrativos incluyen la transición ferromagnética, la transición superconductora y la transición superfluida. Lev Landau desarrolló una teoría fenomenológica para describir las transiciones de fase de segundo orden.

A diferencia de la viscosidad, la expansión térmica y la capacidad calorífica de los materiales amorfos exhiben una alteración abrupta en la temperatura de transición vítrea, una característica que facilita la detección precisa mediante calorimetría diferencial de barrido.

Una categoría de transiciones se identifica como transiciones de fase de orden infinito. Estas transiciones mantienen la continuidad sin alterar ninguna simetría. La transición de Kosterlitz-Thouless dentro del modelo bidimensional XY sirve como una ilustración destacada. Numerosas transiciones de fase cuánticas, como las observadas en gases de electrones bidimensionales, entran en esta clasificación.

Más allá de las transiciones de fase elementales y discretas, los sistemas también pueden exhibir líneas de transición y puntos multicríticos cuando varían los parámetros externos, como el campo magnético o la composición del material.

La transición líquido-vidrio

La transición líquido-vítreo se manifiesta en numerosos polímeros y otros líquidos capaces de sufrir un sobreenfriamiento significativo por debajo de su punto de fusión de la fase cristalina. Este fenómeno se distingue en varios aspectos. No representa una transición entre estados fundamentales termodinámicos, ya que el estado cristalino generalmente se considera el verdadero estado fundamental. El vidrio constituye un estado de desorden apagado, y su entropía, densidad y otras propiedades dependen de su historia térmica. En consecuencia, la transición vítrea es fundamentalmente un proceso dinámico en el que, al enfriar un líquido, sus grados de libertad internos se desvían progresivamente del equilibrio. Si bien ciertos marcos teóricos postulan una transición de fase subyacente en el escenario teórico de tiempos de relajación infinitamente extendidos, ningún dato experimental directo corrobora la existencia de tales transiciones.

Propiedades de característica

Coexistencia de fases

Una transición de primer orden, ampliada por el desorden, se manifiesta a lo largo de un intervalo de temperatura finito donde la proporción de la fase de equilibrio de baja temperatura aumenta de cero a cien por ciento a medida que la temperatura disminuye. Este cambio continuo en las fracciones coexistentes con la temperatura ha dado lugar a hipótesis intrigantes. Al enfriarse, ciertos líquidos se vitrifican formando un vidrio en lugar de convertirse a su fase cristalina de equilibrio. Este fenómeno ocurre cuando la velocidad de enfriamiento supera un umbral crítico, atribuido a que los movimientos moleculares se desaceleran hasta un grado que impide que las moléculas se reconfiguren en posiciones de la red cristalina. Esta desaceleración se produce por debajo de una temperatura de formación del vidrio, T_g, que puede depender de la presión. Si una transición de congelación de primer orden abarca un rango de temperaturas, y T_g se encuentra dentro de este rango, presenta la posibilidad convincente de que la transición pueda detenerse mientras aún es parcial e incompleta. La aplicación de estos conceptos a transiciones magnéticas de primer orden detenidas a bajas temperaturas ha llevado a la observación de transiciones magnéticas incompletas, caracterizadas por la coexistencia de dos fases magnéticas incluso a las temperaturas más bajas. Inicialmente documentada para una transición ferromagnética a antiferromagnética, esta coexistencia de fases duraderas se ha informado desde entonces en diversas transiciones magnéticas de primer orden, que abarcan materiales de manganita de magnetorresistencia colosal, materiales magnetocalóricos, materiales con memoria de forma magnética y otras sustancias. Un aspecto notable de estas observaciones, donde T_g cae dentro del rango de temperatura de transición, es que la transición magnética de primer orden es susceptible a los campos magnéticos, lo que refleja cómo las transiciones estructurales se ven afectadas por la presión. La relativa simplicidad de la manipulación de campos magnéticos, a diferencia de la presión, sugiere una oportunidad para una investigación exhaustiva de la interacción entre T_g y T_c. En consecuencia, la coexistencia de fases observada en las transiciones magnéticas de primer orden podría facilitar la resolución de cuestiones no resueltas sobre la naturaleza de los vidrios.

Puntos críticos

Dentro de cualquier sistema que comprenda fases líquida y gaseosa, existe una combinación específica de presión y temperatura, denominada punto crítico, donde la transición entre líquido y gas se transforma en una transición de segundo orden. En las proximidades del punto crítico, el fluido se calienta y comprime suficientemente, de modo que la diferenciación entre sus estados líquido y gaseoso se vuelve prácticamente indistinguible. Esta condición está relacionada con la opalescencia crítica, una turbidez lechosa que se observa en el fluido y que resulta de fluctuaciones de densidad en todas las longitudes de onda posibles, incluidas aquellas dentro del espectro de luz visible.

Simetría

Las transiciones de fase frecuentemente implican un proceso de ruptura de simetría. Por ejemplo, la solidificación de un fluido en una estructura cristalina altera la simetría traslacional continua: mientras que cada punto dentro del fluido exhibe propiedades idénticas, esta uniformidad está ausente en un cristal, a menos que los puntos correspondan a los sitios de la red cristalina. Generalmente, la fase de alta temperatura posee un mayor grado de simetría en comparación con la fase de baja temperatura, un fenómeno atribuido a la ruptura espontánea de la simetría, con la rara excepción de simetrías accidentales específicas, como la formación a baja temperatura de partículas virtuales pesadas.

Parámetros del pedido

Un parámetro de orden cuantifica el grado de orden dentro de un sistema de transición de fase, asumiendo típicamente un valor de cero en una fase (comúnmente por encima del punto crítico) y un valor distinto de cero en la otra. En el punto crítico, generalmente se observa que la susceptibilidad del parámetro de orden, definido como el cambio en una propiedad extensiva resultante de una variación en una propiedad intensiva, diverge.

Por ejemplo, la magnetización neta en un sistema ferromagnético que experimenta una transición de fase sirve como parámetro de orden. En el contexto de las transiciones líquido-gas, el parámetro de orden está representado por la diferencia de densidad entre las dos fases.

En teoría, los parámetros de orden surgen del proceso de ruptura de la simetría. Cuando se produce una ruptura de simetría, se necesitan variables adicionales para caracterizar adecuadamente el estado del sistema. Por ejemplo, en la fase ferromagnética, se debe especificar la magnetización neta, habiéndose seleccionado espontáneamente su dirección a medida que el sistema se enfría por debajo del punto de Curie. Sin embargo, es importante señalar que los parámetros de orden también se pueden formular para transiciones que no implican ruptura de simetría.

Ciertas transiciones de fase, incluidos los fenómenos superconductores y ferromagnéticos, pueden exhibir parámetros de orden asociados con múltiples grados de libertad. En estas fases, el parámetro de orden puede manifestarse como un número complejo, un vector o incluso un tensor, con su magnitud acercándose a cero en el punto de transición de fase.

Además, existen descripciones duales de transiciones de fase, enmarcadas en términos de parámetros de desorden. Estos parámetros indican la presencia de excitaciones lineales, como vórtices o líneas de defecto.

Relevancia en cosmología

Las transiciones de fase que rompen la simetría son de gran importancia cosmológica. A medida que el universo se expandió y enfrió, el vacío experimentó una secuencia de transiciones de fase que rompieron la simetría. Por ejemplo, la transición electrodébil transformó la simetría SU(2)×U(1) del campo electrodébil en la simetría U(1) característica del campo electromagnético contemporáneo. Esta transición particular es crucial para dilucidar la asimetría observada entre cantidades de materia y antimateria en el universo actual, como lo postula la teoría de la bariogénesis electrodébil.

Las transiciones de fase progresivas dentro de un universo en expansión están implicadas en el surgimiento del orden cósmico, un concepto ejemplificado por la investigación de Eric Chaisson y David Layzer.

Exponentes críticos y clases de universalidad

Exponentes críticos y clases de universalidad

Las transiciones de fase continua presentan menos desafíos analíticos que las transiciones de primer orden, principalmente debido a la ausencia de calor latente, y se ha descubierto que poseen numerosas características intrigantes. Los fenómenos vinculados a transiciones de fase continuas se denominan fenómenos críticos, dada su conexión intrínseca con puntos críticos.

Las transiciones de fase continuas son cuantificables mediante parámetros denominados exponentes críticos. Quizás el más significativo de ellos sea el exponente que describe la divergencia de la longitud de la correlación térmica a medida que se acerca la transición. Por ejemplo, considerando el comportamiento de la capacidad calorífica en las proximidades de dicha transición, si variamos la temperatura del sistema T mientras mantenemos constantes todas las demás variables termodinámicas, observamos que la transición se produce a una temperatura crítica específica T_c. Cuando T está cerca de T_c, la capacidad calorífica C normalmente muestra una dependencia de la ley potencial.

${\displaystyle C\propto |T_{\text{c}}-T|^{-\alpha }.}$

Los materiales amorfos exhiben este comportamiento característico de la capacidad calorífica en las proximidades de la temperatura de transición vítrea, donde se determina que el exponente crítico universal α es 0,59. Para la longitud de la correlación se observa un fenómeno comparable, que involucra el exponente ν en lugar de α.

Los exponentes críticos no mantienen invariablemente valores idénticos tanto por encima como por debajo de la temperatura crítica. Cuando una simetría continua se reduce explícitamente a una simetría discreta mediante anisotropías consideradas irrelevantes dentro del marco del grupo de renormalización, ciertos exponentes, como γ<!-- γ --> {\displaystyle \gamma }, que representa el exponente de susceptibilidad, diverge de la identidad.

Cuando 15§ {\displaystyle \alpha <-1} , la capacidad calorífica mantiene la diferenciabilidad en la temperatura de transición; sin embargo, las discontinuidades se manifiestan en sus derivadas de orden superior.

En los casos en que 10§ ≤ α < §1920§ {\displaystyle -1\leq \alpha <0} , la capacidad calorífica muestra una clara "flexión" en la temperatura de transición. Esta característica se observa en el helio líquido durante su transición lambda de un estado normal a un estado superfluido, con mediciones experimentales que arrojan α = −0,013 ± 0,003. Para mitigar las diferencias de presión dentro de la muestra, se realizó al menos un experimento en condiciones de gravedad cero a bordo de un satélite en órbita. Este valor derivado empíricamente para α se alinea con los pronósticos teóricos derivados de la teoría de la perturbación variacional.

Cuando 0 < α < 1, la capacidad calorífica diverge a la temperatura de transición; sin embargo, la entalpía sigue siendo finita porque α < 1. Un ejemplo destacado de este fenómeno es la transición de fase ferromagnética 3D. Para el modelo tridimensional de Ising aplicado a imanes uniaxiales, investigaciones teóricas exhaustivas han determinado que el exponente α es aproximadamente +0,110.

Ciertos sistemas modelo se desvían del comportamiento de la ley potencial. Por ejemplo, la teoría del campo medio pronostica una discontinuidad finita en la capacidad calorífica a la temperatura de transición, mientras que el modelo bidimensional de Ising demuestra una divergencia logarítmica. Sin embargo, estos casos representan casos limitantes y constituyen excepciones al principio general. Las transiciones de fase empíricas suelen manifestar un comportamiento de ley de potencia.

Se establecen exponentes críticos adicionales, específicamente β, γ, δ, ν y η, para caracterizar el comportamiento de ley de potencia de propiedades físicas cuantificables en las proximidades de una transición de fase. Estos exponentes están interconectados a través de varias relaciones de escala, que incluyen:

β<!-- β --> = γ<!-- γ --> / ( δ<!-- δ --> −<!-- − --> §2627§ ) , ν = γ / ( §4849§ −<!-- − --> η<!-- η --> ) . {\displaystyle \beta =\gamma /(\delta -1),\quad \nu =\gamma /(2-\eta ).}

Demostrable que sólo dos exponentes son independientes; por ejemplo, ν y η.

Una observación notable es que las transiciones de fase que ocurren en diversos sistemas frecuentemente exhiben un conjunto idéntico de exponentes críticos. Este fenómeno se denomina universalidad. Por ejemplo, se ha determinado que los exponentes críticos en el punto crítico líquido-gas no se ven afectados por la composición química del fluido.

Los exponentes críticos observados en estos sistemas corresponden precisamente a los de las transiciones de fase ferromagnéticas en imanes uniaxiales, una congruencia notable pero explicable. Los sistemas que exhiben exponentes críticos tan idénticos se clasifican dentro de la misma clase de universalidad. La universalidad, un principio central de la teoría del grupo de renormalización de las transiciones de fase, postula que las características termodinámicas de un sistema cerca de una transición de fase están determinadas por un conjunto limitado de atributos macroscópicos, incluidas la dimensionalidad y la simetría, en lugar de su composición microscópica específica. La divergencia de la longitud de la correlación sigue siendo un aspecto fundamental en este contexto.

Fenómenos críticos

Más allá de las funciones estáticas, otros fenómenos críticos incluyen la dinámica crítica. En consecuencia, las transiciones de fase pueden manifestarse como una desaceleración crítica o una aceleración. Antes de la transición de fase, también se observan fluctuaciones intensificadas, derivadas de la menor estabilidad de la fase inicial del sistema. Las amplias clases de universalidad estática asociadas con transiciones de fase continuas se subdividen en clases de universalidad dinámica más específicas. Además, existen relaciones universales no sólo para exponentes críticos sino también para funciones estáticas o dinámicas específicas relacionadas con campos magnéticos y desviaciones de temperatura desde el punto crítico.

Metodologías Experimentales

Se emplean diversas metodologías para investigar estos fenómenos. Ejemplos ilustrativos incluyen:

• Efecto Hall (utilizado para medir transiciones magnéticas)
• Espectroscopia de Mössbauer (permite la medición simultánea de transiciones magnéticas y no magnéticas, con un límite operativo de aproximadamente 800 a 1000 °C)
• Difracción de neutrones
• Correlación angular perturbada (facilita la medición simultánea de transiciones magnéticas y no magnéticas, sin limitaciones de temperatura inherentes. Se han realizado experimentos por encima de 2000 °C, y la aplicabilidad teórica se extiende a los materiales cristalinos con el punto de fusión más alto, como el carburo de tantalio y hafnio a 4215 °C).
• Espectroscopia Raman
• SQUID (Dispositivo de interferencia cuántica superconductora) (empleado para medir transiciones magnéticas)
• Termogravimetría (una técnica ampliamente adoptada)
• Difracción de rayos X

Aplicaciones en otros sistemas

Transiciones de fase biológica

Las transiciones de fase son parte integral de numerosos procesos biológicos. Los ejemplos ilustrativos abarcan la formación de bicapas lipídicas, la transición espiral-glóbulo crítica para el plegamiento de proteínas y la desnaturalización del ADN, transiciones similares a cristales líquidos durante la condensación del ADN, unión cooperativa de ligandos al ADN y proteínas que exhiben características de transición de fase, y alteraciones en la expresión genética en la aparición de eucariotas, que se caracterizan por una transición de fase algorítmica.

Dentro de las membranas biológicas, las transiciones de fase cristalina de gel a líquido son cruciales para la función fisiológica de la biomembrana. En la fase de gel, la fluidez limitada de las cadenas de acilos grasos y lípidos de la membrana restringe la movilidad de las proteínas de la membrana, impidiendo así sus funciones fisiológicas. Las plantas dependen de manera crítica de la fotosíntesis, que ocurre en las membranas tilacoides del cloroplasto, a menudo expuestas a condiciones ambientales frías. Las membranas tilacoides mantienen una fluidez inherente incluso a temperaturas relativamente bajas debido al importante trastorno de los acilos grasos facilitado por su alto contenido de ácido linolénico (una cadena de 18 carbonos que posee tres dobles enlaces). La temperatura de transición de fase cristalina de gel a líquido de las membranas biológicas se puede determinar mediante diversas técnicas, como calorimetría, espectroscopia de fluorescencia, resonancia paramagnética electrónica con etiqueta de espín y resonancia magnética nuclear (RMN), midiendo sistemáticamente parámetros relevantes en un rango de temperaturas de muestra. También se ha sugerido un método sencillo para esta determinación, basado en las intensidades de las líneas de RMN de 13-C.

Se supone que algunos sistemas biológicos operan cerca de puntos críticos. Los ejemplos ilustrativos abarcan redes neuronales dentro de la retina de la salamandra, comportamientos de bandadas de aves, redes de expresión genética en Drosophila y procesos de plegamiento de proteínas. Sin embargo, sigue siendo incierto hasta qué punto explicaciones alternativas podrían explicar fenómenos frecuentemente citados como evidencia de criticidad. Además, se ha postulado que los organismos biológicos exhiben dos características fundamentales de las transiciones de fase: alteraciones en el comportamiento macroscópico y coherencia sistémica en un momento crítico. Las transiciones de fase representan una característica destacada del comportamiento motor en los sistemas biológicos. Las transiciones espontáneas de la marcha y las desconexión de tareas motoras inducidas por la fatiga, por ejemplo, demuestran un comportamiento crítico característico, lo que indica un cambio cualitativo abrupto de un patrón de comportamiento motor previamente estable.

Una característica definitoria de las transiciones de fase de segundo orden es la aparición de fractales dentro de ciertas propiedades sin escala. Desde hace tiempo se ha establecido que los glóbulos proteicos obtienen su conformación de las interacciones con el agua. Los veinte aminoácidos que comprenden los grupos laterales de las cadenas peptídicas de proteínas exhiben un espectro que va de hidrofílico a hidrofóbico, lo que hace que los residuos hidrofílicos residan cerca de la superficie globular y los residuos hidrofóbicos graviten hacia el núcleo globular. Las investigaciones revelaron veinte fractales distintos dentro de las superficies accesibles a los disolventes de más de 5.000 segmentos de proteínas. La presencia de estos fractales proporciona evidencia de que las proteínas operan cerca de los puntos críticos de las transiciones de fase de segundo orden.

En grupos de organismos estresados, particularmente cuando se acercan a transiciones críticas, un fenómeno observable es el aumento simultáneo tanto de las correlaciones como de las fluctuaciones. Numerosos experimentos y observaciones en diversos grupos, incluidos humanos, ratones, árboles y plantas herbáceas, corroboran este efecto.

Transiciones de fase dentro de los sistemas sociales

Se ha planteado la hipótesis de que se producen transiciones de fase dentro de sistemas sociales conceptualizados como sistemas dinámicos. Específicamente, una hipótesis avanzada durante las décadas de 1990 y 2000 sobre la paz y los conflictos armados postula que la transformación de un conflicto no violento en un conflicto armado constituye una transición de fase de un estado latente a uno manifiesto dentro del sistema dinámico.

Referencias

Referencias

Anderson, P.W., Nociones básicas de física de la materia condensada, Perseus Publishing (1997).

• Anderson, P.W., Nociones básicas de física de la materia condensada, Perseus Publishing (1997).
• Faghri, A. y Zhang, Y., Fundamentos de flujo y transferencia de calor multifásico, Springer Nature Switzerland AG, 2020.
• Fisher, ME (1974). "El grupo de renormalización en la teoría del comportamiento crítico". Rev. Mod. Médico. 46 (4): 597–616. Código bibliográfico: 1974RvMP...46..597F. doi:10.1103/revmodphys.46.597.Ivancevic, Vladimir G; Ivancevic, Tijana T (2008), Caos, transiciones de fase, cambios de topología e integrales de ruta, Berlín: Springer, ISBN 978-3-540-79356-49971-5-0210-0
• Kleinert, Hagen; Verena Schulte-Frohlinde (2001). Propiedades críticas de las φ⁴-teorías. Científico mundial. ISBN 981-02-4659-5.
• Kogut, J.; Wilson, K (1974). "El Grupo de Renormalización y la Expansión Épsilon". Físico. Representante. 12 (2): 75–199. Código Bib: 1974PhR....12...75W. doi:10.1016/0370-1573(74)90023-4.

  Medios relacionados con los cambios de fase en Wikimedia Commons

  • Transiciones de fase interactivas en celosías, con subprogramas de Java.
  • Clases de universalidad, extraídas de Sklogwiki.