Transição de fase (Phase transition)

Na física, na química e na biologia, uma transição de fase (ou mudança de fase) denota a transformação física de um estado de um meio para outro. Normalmente, este termo descreve alterações entre os estados fundamentais da matéria: sólido, líquido, gasoso e, menos frequentemente, plasma. Tanto a fase de um sistema termodinâmico quanto os estados da matéria são caracterizados por propriedades físicas uniformes. Durante uma transição de fase, propriedades específicas de um meio sofrem modificações em resposta a mudanças em parâmetros externos, como temperatura ou pressão. Tais transformações podem ser descontínuas; por exemplo, um líquido aquecido até ao ponto de ebulição pode converter-se abruptamente num gás, levando a uma expansão súbita de volume. As condições externas precisas sob as quais tal transformação se manifesta definem o ponto de transição de fase.

Em física, química e biologia, uma transição de fase (ou mudança de fase) é o processo físico de transição entre um estado de um meio e outro. Geralmente o termo é usado para se referir a mudanças entre os estados básicos da matéria: sólido, líquido e gasoso e, em casos raros, plasma. Uma fase de um sistema termodinâmico e os estados da matéria possuem propriedades físicas uniformes. Durante uma transição de fase de um determinado meio, certas propriedades do meio mudam como resultado da mudança de condições externas, como temperatura ou pressão. Esta pode ser uma mudança descontínua; por exemplo, um líquido pode tornar-se gasoso ao ser aquecido até ao ponto de ebulição, resultando numa mudança abrupta de volume. A identificação das condições externas nas quais ocorre uma transformação define o ponto de transição de fase.

Tipos

Estados da matéria

As transições de fase normalmente descrevem a transformação de uma substância de um dos seus quatro estados fundamentais da matéria para outro. No ponto de transição de fase de uma substância, como o seu ponto de ebulição, as duas fases coexistentes – por exemplo, líquido e vapor – possuem energias livres idênticas, indicando uma probabilidade igual de sua existência. Abaixo deste ponto, a fase líquida é termodinamicamente mais estável, enquanto acima dela predomina a forma gasosa.

As transições comuns que ocorrem entre as fases sólida, líquida e gasosa de um único componente, influenciadas pela temperatura e/ou pressão, são delineadas na tabela a seguir:

Para um sistema de componente único, a fase mais estável em temperaturas e pressões variadas pode ser representada graficamente em um diagrama de fases. Esses diagramas normalmente ilustram estados de equilíbrio. Uma transição de fase geralmente se manifesta quando alterações na pressão ou temperatura fazem com que o sistema atravesse de uma região para outra, exemplificada pela solidificação da água à medida que sua temperatura cai abaixo do ponto de congelamento. No entanto, existe uma exceção a esta regra geral: o estado de um sistema pode às vezes ser alterado diabaticamente (em vez de adiabaticamente), permitindo-lhe contornar um ponto de transição de fase sem sofrer a transformação esperada. O estado resultante é metaestável, o que significa que é menos estável do que a fase que se teria formado, mas não é inerentemente instável. Exemplos incluem superaquecimento e superresfriamento. Os diagramas de fases convencionais normalmente não representam estados metaestáveis.

Estrutural

As transições de fase também podem envolver um sólido adotando um arranjo estrutural diferente sem alterar sua composição química. Para os elementos, esse fenômeno é denominado alotropia, enquanto para os compostos é denominado polimorfismo. As transformações de uma estrutura cristalina para outra, de um sólido cristalino para um sólido amorfo, ou entre diferentes estruturas amorfas (poliamórficas), todas exemplificam transições de fase sólida para sólida.

A transformação martensítica, um exemplo proeminente entre inúmeras transformações de fase em aço carbono, serve como modelo para transições de fase deslocativas. Outros exemplos incluem transições ordem-desordem, observadas em materiais como aluminetos de alfa-titânio. Semelhante aos estados da matéria, as transições de fase estruturais também podem envolver uma transformação de uma fase metaestável para uma fase de equilíbrio. Um polimorfo metaestável, que se forma rapidamente devido à sua menor energia superficial, acabará por se converter em uma fase de equilíbrio, desde que seja fornecida energia térmica adequada para superar uma barreira energética.

Numerosos materiais microporosos dinâmicos ou macios demonstram transições de fase estruturais entre suas configurações fechadas e abertas. Estruturas metal-orgânicas (MOFs), em particular, têm sido objeto de extensas pesquisas sobre esse comportamento característico. A paisagem de fases resultante pode ser complexa, muitas vezes revelando fases intermediárias. Estudos adicionais indicam que as moléculas hóspedes são capazes de estabilizar fases específicas, levando a configurações cristalinas que dependem da composição atmosférica ambiente.

Magnético

As transições de fase também podem caracterizar transformações entre tipos distintos de ordenação magnética. O exemplo mais reconhecido é a transição entre as fases ferromagnética e paramagnética dos materiais magnéticos, que se manifesta no ponto Curie. Outra ilustração envolve a transição entre várias estruturas magnéticas ordenadas, sejam proporcionais ou incomensuráveis, como observado no antimoneto de cério. O modelo de Ising oferece uma estrutura simplificada, mas altamente eficaz, para a compreensão das transições de fase magnética.

Misturas

As transições de fase em soluções e misturas apresentam maior complexidade em comparação com aquelas observadas em compostos únicos. Embora as substâncias quimicamente puras normalmente apresentem um ponto de fusão distinto entre suas fases sólida e líquida, as misturas podem exibir um ponto de fusão singular, denominado fusão congruente, ou possuir temperaturas liquidus e solidus distintas. Este último cenário resulta em uma faixa de temperatura onde as fases sólida e líquida coexistem em equilíbrio, um fenômeno frequentemente observado em soluções sólidas onde os componentes constituintes são isoestruturais.

Várias transições de fase envolvem três fases distintas. Uma transformação eutética ocorre quando um líquido monofásico de dois componentes esfria e se converte em duas fases sólidas. Por outro lado, uma transformação eutetóide descreve um processo análogo que se inicia em um sólido e não em um líquido. Uma transformação peritética envolve um sólido monofásico de dois componentes sendo aquecido, posteriormente transformando-se em uma fase sólida e uma fase líquida. Uma reação peritetóide é semelhante a uma reação peritética, mas envolve exclusivamente fases sólidas. Finalmente, uma reação monotética envolve uma mudança de uma fase líquida para uma combinação de uma fase sólida e uma segunda fase líquida, onde as duas fases líquidas exibem uma lacuna de miscibilidade.

A separação em múltiplas fases também pode se manifestar através da decomposição espinodal, um processo em que uma única fase sofre resfriamento e subsequentemente se divide em duas composições distintas.

Misturas fora de equilíbrio, como aquelas encontradas na supersaturação, também são possíveis.

Mais exemplos de transições de fase

A transição para uma mesofase, um estado intermediário entre sólido e líquido, exemplificado por várias fases de cristal líquido.

• Transição para uma mesofase entre sólido e líquido, como uma das fases de "cristal líquido".
• A dependência da geometria de adsorção tanto na cobertura superficial quanto na temperatura, conforme observado com hidrogênio adsorvido em uma superfície de ferro (110).
• O início da supercondutividade em metais específicos e materiais cerâmicos após resfriamento abaixo de uma temperatura crítica.
• A manifestação de propriedades de metamateriais em meios fotônicos artificiais quando seus parâmetros constituintes são ajustados.
• Condensação quântica de fluidos bosônicos, especificamente condensação de Bose-Einstein, com a transição superfluida em hélio líquido servindo como uma ilustração principal.
• A quebra de simetria nas leis fundamentais da física que ocorreu durante o início do universo à medida que sua temperatura diminuía.
• O fracionamento de isótopos, um processo em que a proporção de isótopos leves e pesados nas moléculas constituintes se altera, ocorre durante uma transição de fase. Por exemplo, durante a condensação do vapor de água (um fracionamento de equilíbrio), os isótopos de água mais pesados ​​(¹⁸O e ²H) concentram-se na fase líquida, enquanto os isótopos mais leves (¹⁶O e §67§H) permanecem preferencialmente na fase de vapor.

As transições de fase se manifestam quando a energia livre termodinâmica de um sistema exibe comportamento não analítico para uma seleção específica de variáveis ​​termodinâmicas (fases de referência). Este fenômeno normalmente surge das extensas interações entre numerosas partículas dentro de um sistema e está ausente em sistemas de pequena escala. Além disso, as transições de fase podem ocorrer em sistemas não termodinâmicos onde a temperatura não é um parâmetro governante. Exemplos ilustrativos incluem transições de fase quântica, transições de fase dinâmicas e transições de fase topológicas (estruturais). Nesses sistemas, parâmetros alternativos, como probabilidade de conexão em redes percoladas, substituem a temperatura.

Classificações de transições de fase

Classificação do Ehrenfest

Paul Ehrenfest estabeleceu um sistema de classificação para transições de fase, baseado no comportamento da energia livre termodinâmica em função de outras variáveis termodinâmicas. A classificação de Ehrenfest abrange tanto transições de fase, onde a derivada mais baixa da energia livre é descontínua no ponto de transição, quanto transformações de fase contínuas, caracterizadas por uma mudança no caráter de ligação de um material sem qualquer descontinuidade em suas derivadas de energia livre.

Dentro do esquema de classificação de Ehrenfest, as transições de fase descontínuas são categorizadas pela derivada mais baixa da energia livre que exibe descontinuidade no ponto de transição; por exemplo, transições de fase de primeira ordem demonstram uma descontinuidade na primeira derivada da energia livre em relação a uma variável termodinâmica específica. As transições sólido-líquido-gás comuns são classificadas como de primeira ordem porque envolvem uma mudança abrupta na densidade, que corresponde ao inverso da primeira derivada da energia livre em relação à pressão. Transições de fase de segunda ordem mantêm a continuidade na primeira derivada (onde o parâmetro de ordem, definido como a primeira derivada da energia livre em relação ao campo externo, permanece contínuo ao longo da transição), mas exibem uma descontinuidade em uma segunda derivada da energia livre. Tais transições abrangem a transição de fase ferromagnética em materiais como o ferro, onde a magnetização – a primeira derivada da energia livre em relação à intensidade do campo magnético aplicado – aumenta continuamente de zero à medida que a temperatura cai abaixo do ponto Curie; ao mesmo tempo, a suscetibilidade magnética, que é a segunda derivada da energia livre em relação ao campo, sofre uma mudança descontínua.

O esquema de Ehrenfest permite teoricamente transições de fase de terceira, quarta e ordem superior; no entanto, as observações empíricas revelam predominantemente apenas transições de fase de primeira e segunda ordem. Exceções notáveis ​​incluem a transição de fase Gross-Witten-Wadia na cromodinâmica quântica de rede 2-D, identificada como uma transição de fase de terceira ordem, e a distribuição Tracy-Widom, que pode ser interpretada como uma transição de terceira ordem. Os pontos Curie de muitos ferromagnéticos também são considerados transições de terceira ordem, evidenciadas por uma mudança abrupta na inclinação de sua capacidade térmica específica.

O conceito de transição de fase de segunda ordem inicialmente enfrentou controvérsia, pois parecia necessitar de duas "folhas" de energia livre de Gibbs para oscular com precisão, uma condição considerada improvável a ponto de ser praticamente impossível. Cornelis Gorter abordou esta crítica postulando que a superfície de energia livre de Gibbs pode possuir duas folhas de um lado, mas apenas uma folha do outro, resultando em uma morfologia bifurcada.

O exemplo inicial de uma transição de fase que se desviou da classificação de Ehrenfest foi identificado através da solução exata do modelo de Ising, desenvolvido por Lars Onsager em 1944. O calor específico exato divergiu das aproximações de campo médio anteriores, que previam um calor específico direto. descontinuidade na temperatura crítica. Por outro lado, o calor específico preciso exibiu uma divergência logarítmica neste ponto crítico. Posteriormente, ao longo de várias décadas, a classificação Ehrenfest foi substituída por uma estrutura mais simplificada, capaz de acomodar estes tipos de transições.

Classificações modernas

Dentro das estruturas de classificação contemporâneas, as transições de fase são categorizadas em dois tipos principais, com nomenclatura análoga ao esquema Ehrenfest:

Transições de fase de primeira ordem são caracterizadas pelo envolvimento de calor latente. Durante tal transição, um sistema absorve ou libera uma quantidade específica (e normalmente substancial) de energia por unidade de volume. Ao longo deste processo, a temperatura do sistema permanece constante apesar da contínua entrada de calor. Isto indica um “regime de fases mistas”, onde certas partes do sistema passaram pela transição, enquanto outras não. Ilustrações comuns incluem o derretimento do gelo e a fervura da água. Por exemplo, a água não se converte instantaneamente em vapor, mas forma uma mistura turbulenta de fases líquidas e gasosas.

Pesquisas primárias indicam que a desordem extinta pode ampliar a faixa de temperatura de uma transição de primeira ordem. Especificamente, embora a transformação ocorra em um intervalo de temperatura finito, fenômenos como super-resfriamento e superaquecimento persistem, e a histerese é evidente durante o ciclo térmico.

Transições de fase de segunda ordems, também chamadas de "transições de fase contínuas", são definidas por uma suscetibilidade divergente (representando a mudança em uma propriedade extensiva devido à variação de uma propriedade intensiva), uma comprimento de correlação infinito e um decaimento da lei de potência das correlações nas proximidades da criticidade. Exemplos ilustrativos incluem a transição ferromagnética, a transição supercondutora e a transição superfluida. Lev Landau desenvolveu uma teoria fenomenológica para descrever transições de fase de segunda ordem.

Ao contrário da viscosidade, a expansão térmica e a capacidade térmica de materiais amorfos exibem uma alteração abrupta na temperatura de transição vítrea, uma característica que facilita a detecção precisa por meio de calorimetria de varredura diferencial.

Uma categoria de transições é identificada como transições de fase de ordem infinita. Estas transições mantêm a continuidade sem perturbar quaisquer simetrias. A transição Kosterlitz – Thouless dentro do modelo bidimensional XY serve como uma ilustração proeminente. Numerosas transições de fase quântica, como aquelas observadas em gases de elétrons bidimensionais, se enquadram nesta classificação.

Além das transições de fase elementares discretas, os sistemas também podem exibir linhas de transição e pontos multicríticos quando parâmetros externos, como campo magnético ou composição do material, são variados.

A transição líquido-vidro

A transição líquido-vidro se manifesta em numerosos polímeros e outros líquidos capazes de super-resfriamento significativo abaixo do ponto de fusão da fase cristalina. Este fenômeno é distinto em vários aspectos. Não representa uma transição entre estados fundamentais termodinâmicos, pois o estado cristalino é geralmente considerado o verdadeiro estado fundamental. O vidro constitui um estado de desordem extinta, com sua entropia, densidade e outras propriedades dependentes de sua história térmica. Consequentemente, a transição vítrea é fundamentalmente um processo dinâmico onde, ao resfriar um líquido, seus graus de liberdade internos se desviam progressivamente do equilíbrio. Embora certas estruturas teóricas postulem uma transição de fase subjacente no cenário teórico de tempos de relaxamento infinitamente estendidos, nenhum dado experimental direto corrobora a existência de tais transições.

Propriedades da característica

Coexistência de fases

Uma transição de primeira ordem, ampliada pela desordem, manifesta-se através de um intervalo de temperatura finito onde a proporção da fase de equilíbrio de baixa temperatura aumenta de zero a cem por cento à medida que a temperatura diminui. Esta mudança contínua nas frações coexistentes com a temperatura gerou hipóteses intrigantes. Após o resfriamento, certos líquidos vitrificam em um vidro em vez de serem convertidos para sua fase cristalina de equilíbrio. Este fenômeno ocorre quando a taxa de resfriamento ultrapassa um limite crítico, atribuído à desaceleração dos movimentos moleculares a um grau que impede as moléculas de se reconfigurarem nas posições da rede cristalina. Esta desaceleração ocorre abaixo de uma temperatura de formação de vidro, T_g, que pode ser dependente da pressão. Se uma transição de congelamento de primeira ordem abrange uma faixa de temperaturas, e T_g estiver dentro dessa faixa, apresenta a possibilidade convincente de que a transição possa ser interrompida enquanto ainda for parcial e incompleta. A aplicação destes conceitos a transições magnéticas de primeira ordem interrompidas em baixas temperaturas levou à observação de transições magnéticas incompletas, caracterizadas pela coexistência de duas fases magnéticas mesmo nas temperaturas mais baixas. Inicialmente documentada para uma transição ferromagnética para antiferromagnética, tal coexistência de fase duradoura tem sido relatada através de diversas transições magnéticas de primeira ordem, abrangendo materiais de manganita com resistência magnetorresistência colossal, materiais magnetocalóricos, materiais com memória de forma magnética e outras substâncias. Um aspecto notável destas observações, onde T_g se enquadra na faixa de temperatura de transição, é que a transição magnética de primeira ordem é suscetível a campos magnéticos, refletindo como as transições estruturais são afetadas pela pressão. A relativa simplicidade da manipulação de campos magnéticos, em oposição à pressão, sugere uma oportunidade para uma investigação abrangente sobre a interação entre T_g e T_c. Consequentemente, a coexistência de fases observada em transições magnéticas de primeira ordem poderia facilitar a resolução de questões não resolvidas relativas à natureza dos vidros.

Pontos Críticos

Dentro de qualquer sistema compreendendo fases líquidas e gasosas, existe uma combinação específica de pressão e temperatura, denominada ponto crítico, onde a transição entre líquido e gás se transforma em uma transição de segunda ordem. Nas proximidades do ponto crítico, o fluido é adequadamente aquecido e comprimido de tal forma que a diferenciação entre os seus estados líquido e gasoso torna-se virtualmente indistinguível. Esta condição está ligada à opalescência crítica, uma turbidez leitosa observada no fluido, resultante de flutuações de densidade em todos os comprimentos de onda possíveis, incluindo aqueles dentro do espectro de luz visível.

Simetria

As transições de fase frequentemente envolvem um processo de quebra de simetria. Por exemplo, a solidificação de um fluido numa estrutura cristalina perturba a simetria translacional contínua: embora cada ponto dentro do fluido exiba propriedades idênticas, esta uniformidade está ausente num cristal, a menos que os pontos correspondam aos locais da rede cristalina. Geralmente, a fase de alta temperatura possui um maior grau de simetria em comparação com a fase de baixa temperatura, um fenômeno atribuído à quebra espontânea de simetria, com a rara exceção de simetrias acidentais específicas, como a formação de partículas virtuais pesadas em baixa temperatura.

Parâmetros de pedido

Um parâmetro de ordem quantifica a extensão da ordem dentro de um sistema de transição de fase, normalmente assumindo um valor zero em uma fase (geralmente acima do ponto crítico) e um valor diferente de zero na outra. No ponto crítico, geralmente observa-se que a suscetibilidade do parâmetro de ordem - definida como a mudança em uma propriedade extensiva resultante de uma variação em uma propriedade intensiva - diverge. Por exemplo, a magnetização líquida em um sistema ferromagnético passando por uma transição de fase serve como um parâmetro de ordem. No contexto das transições líquido-gás, o parâmetro de ordem é representado pela diferença de densidade entre as duas fases.

Teoricamente, os parâmetros de ordem emergem do processo de quebra de simetria. Quando ocorre quebra de simetria, variáveis ​​adicionais tornam-se necessárias para caracterizar adequadamente o estado do sistema. Por exemplo, na fase ferromagnética, a magnetização líquida deve ser especificada, sendo sua direção selecionada espontaneamente à medida que o sistema esfria abaixo do ponto Curie. No entanto, é importante notar que os parâmetros de ordem também podem ser formulados para transições que não envolvem quebra de simetria.

Certas transições de fase, incluindo fenômenos supercondutores e ferromagnéticos, podem exibir parâmetros de ordem associados a múltiplos graus de liberdade. Nessas fases, o parâmetro de ordem pode se manifestar como um número complexo, um vetor ou mesmo um tensor, com sua magnitude se aproximando de zero no ponto de transição de fase.

Além disso, existem descrições duplas de transições de fase, enquadradas em termos de parâmetros de desordem. Esses parâmetros significam a presença de excitações lineares, como vórtices ou linhas de defeito.

Relevância em Cosmologia

As transições de fase que quebram a simetria são de importância cosmológica significativa. À medida que o universo se expandia e esfriava, o vácuo passou por uma sequência de transições de fase que quebravam a simetria. Por exemplo, a transição eletrofraca transformou a simetria SU(2)×U(1) do campo eletrofraco na simetria U(1) característica do campo eletromagnético contemporâneo. Esta transição específica é crucial para elucidar a assimetria observada entre as quantidades de matéria e antimatéria no universo atual, conforme postulado pela teoria da bariogênese eletrofraca.

As transições de fase progressivas dentro de um universo em expansão estão implicadas no surgimento da ordem cósmica, um conceito exemplificado pela pesquisa de Eric Chaisson e David Layzer.

Expoentes críticos e classes de universalidade

Expoentes críticos e classes de universalidade

As transições de fase contínua apresentam menos desafios analíticos do que as transições de primeira ordem, principalmente devido à ausência de calor latente, e descobriu-se que possuem inúmeras características intrigantes. Os fenómenos ligados a transições de fase contínuas são denominados fenómenos críticos, dada a sua ligação intrínseca a pontos críticos.

As transições de fase contínuas são quantificáveis ​​através de parâmetros denominados expoentes críticos. Talvez o mais significativo deles seja o expoente que descreve a divergência do comprimento da correlação térmica à medida que a transição se aproxima. Por exemplo, considerando o comportamento da capacidade térmica nas proximidades de tal transição, se variarmos a temperatura do sistema T enquanto mantemos todas as outras variáveis ​​termodinâmicas constantes, observamos que a transição ocorre a uma temperatura crítica específica T_c. Quando T está próximo de T_c, a capacidade térmica C normalmente exibe uma dependência da lei de potência.

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

Materiais amorfos exibem esse comportamento característico de capacidade térmica nas proximidades da temperatura de transição vítrea, onde o expoente crítico universal α é determinado como 0,59. Um fenômeno comparável, envolvendo o expoente ν em vez de α, é observado para o comprimento da correlação.

Os expoentes críticos não mantêm invariavelmente valores idênticos acima e abaixo da temperatura crítica. Quando uma simetria contínua é explicitamente reduzida a uma simetria discreta por meio de anisotropias consideradas irrelevantes dentro da estrutura do grupo de renormalização, certos expoentes, como ${\displaystyle \gamma }$, que representa o expoente de suscetibilidade, divergem da identidade.

Quando 15§ {\displaystyle \alpha <-1} , a capacidade térmica mantém a diferenciabilidade na temperatura de transição; no entanto, as descontinuidades se manifestam em suas derivadas de ordem superior.

Nos casos em que 10§ ≤ α < §1920§ {\displaystyle -1\leq \alpha <0} , a capacidade térmica exibe uma "torção" distinta na temperatura de transição. Esta característica é observada no hélio líquido durante sua transição lambda de um estado normal para um estado superfluido, com medições experimentais produzindo α = −0,013 ± 0,003. Para mitigar os diferenciais de pressão dentro da amostra, pelo menos um experimento foi conduzido sob condições de gravidade zero a bordo de um satélite em órbita. Este valor derivado empiricamente para α alinha-se com as previsões teóricas derivadas da teoria da perturbação variacional.

Quando 0 < α < 1, a capacidade térmica diverge na temperatura de transição; no entanto, a entalpia permanece finita porque α < 1. Uma ilustração proeminente deste fenômeno é a transição de fase ferromagnética 3D. Para o modelo tridimensional de Ising aplicado a ímãs uniaxiais, investigações teóricas abrangentes determinaram que o expoente α é aproximadamente +0,110.

Certos sistemas de modelo desviam-se do comportamento da lei de potência. Por exemplo, a teoria de campo médio prevê uma descontinuidade finita na capacidade térmica na temperatura de transição, enquanto o modelo bidimensional de Ising demonstra uma divergência logarítmica. No entanto, estes casos representam casos limites e constituem exceções ao princípio geral. As transições de fase empíricas normalmente manifestam o comportamento da lei de potência.

Expoentes críticos adicionais, especificamente β, γ, δ, ν e η, são estabelecidos para caracterizar o comportamento da lei de potência de propriedades físicas quantificáveis ​​nas proximidades de uma transição de fase. Esses expoentes estão interligados através de várias relações de escala, incluindo:

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

Comprovadamente, apenas dois expoentes são independentes; por exemplo, ν e η.

Uma observação notável é que as transições de fase que ocorrem em diversos sistemas frequentemente exibem um conjunto idêntico de expoentes críticos. Este fenômeno é denominado universalidade. Por exemplo, determinou-se que os expoentes críticos no ponto crítico líquido-gás não são afetados pela composição química do fluido.

Os expoentes críticos observados nestes sistemas correspondem precisamente aos das transições de fase ferromagnéticas em ímãs uniaxiais, uma congruência notável, mas explicável. Os sistemas que exibem tais expoentes críticos idênticos são categorizados na mesma classe de universalidade. A universalidade, um princípio central da teoria do grupo de renormalização de transições de fase, postula que as características termodinâmicas de um sistema próximo a uma transição de fase são determinadas por um conjunto limitado de atributos macroscópicos, incluindo dimensionalidade e simetria, em vez de sua composição microscópica específica. A divergência do comprimento da correlação continua a ser um aspecto fundamental neste contexto.

Fenômenos Críticos

Além das funções estáticas, outros fenômenos críticos incluem a dinâmica crítica. Conseqüentemente, as transições de fase podem se manifestar como uma desaceleração crítica ou como uma aceleração. Antecedendo a transição de fase, também são observadas flutuações intensificadas, decorrentes da reduzida estabilidade da fase inicial do sistema. As amplas classes de universalidade estática associadas às transições de fase contínuas subdividem-se ainda em classes de universalidade dinâmica mais específicas. Além disso, existem relações universais não apenas para expoentes críticos, mas também para funções estáticas ou dinâmicas específicas relativas a campos magnéticos e desvios de temperatura do ponto crítico.

Metodologias Experimentais

Diversas metodologias são empregadas para investigar esses fenômenos. Exemplos ilustrativos incluem:

• Efeito Hall (utilizado para medir transições magnéticas)
• Espectroscopia Mössbauer (permite medição simultânea de transições magnéticas e não magnéticas, com um limite operacional de aproximadamente 800–1000 °C)
• Difração de nêutrons
• Correlação Angular Perturbada (facilita a medição simultânea de transições magnéticas e não magnéticas, sem limitações inerentes de temperatura. Experimentos foram conduzidos acima de 2.000 °C, com aplicabilidade teórica estendendo-se aos materiais cristalinos de ponto de fusão mais alto, como carboneto de tântalo e háfnio a 4.215 °C.)
• Espectroscopia Raman
• SQUID (Dispositivo Supercondutor de Interferência Quântica) (empregado para medir transições magnéticas)
• Termogravimetria (uma técnica amplamente adotada)
• Difração de raios X

Aplicações em outros sistemas

Transições de fase biológica

As transições de fase são essenciais para vários processos biológicos. Exemplos ilustrativos abrangem a formação de bicamadas lipídicas, a transição bobina-glóbulo crítica para o dobramento de proteínas e desnaturação do DNA, transições semelhantes a cristais líquidos durante a condensação do DNA, ligação cooperativa de ligantes ao DNA e proteínas exibindo características de transição de fase e alterações na expressão genética no surgimento de eucariotos, que são caracterizados por uma transição de fase algorítmica.

Dentro das membranas biológicas, as transições de fase cristalina de gel para líquido são cruciais para função fisiológica da biomembrana. Na fase de gel, a fluidez limitada das cadeias acil-graxas lipídicas da membrana restringe a mobilidade das proteínas da membrana, impedindo assim as suas funções fisiológicas. As plantas dependem criticamente da fotossíntese, que ocorre nas membranas tilacóides do cloroplasto, frequentemente expostas a condições ambientais frias. As membranas tilacóides mantêm a fluidez inerente mesmo em temperaturas relativamente baixas devido ao significativo distúrbio de acil graxo facilitado por seu alto teor de ácido linolênico - uma cadeia de 18 carbonos que possui três ligações duplas. A temperatura de transição de fase cristalina de gel para líquido de membranas biológicas pode ser determinada usando várias técnicas, como calorimetria, espectroscopia de fluorescência, ressonância paramagnética eletrônica de rótulo de spin e ressonância magnética nuclear (NMR), medindo sistematicamente parâmetros relevantes em uma faixa de temperaturas da amostra. Um método simples para esta determinação, baseado nas intensidades da linha de RMN de 13-C, também foi sugerido.

Supõe-se que alguns sistemas biológicos operem perto de pontos críticos. Exemplos ilustrativos abrangem redes neurais dentro da retina da salamandra, comportamentos de rebanho de aves, redes de expressão gênica em Drosophila e processos de dobramento de proteínas. No entanto, permanece incerto até que ponto explicações alternativas podem explicar fenómenos frequentemente citados como evidência de criticidade. Além disso, postulou-se que os organismos biológicos exibem duas características fundamentais das transições de fase: alterações no comportamento macroscópico e coerência sistêmica em uma conjuntura crítica. As transições de fase representam uma característica saliente do comportamento motor em sistemas biológicos. Transições espontâneas de marcha e desligamentos de tarefas motoras induzidos por fadiga, por exemplo, demonstram comportamento crítico característico, sinalizando uma mudança qualitativa abrupta de um padrão comportamental motor anteriormente estável.

Uma característica definidora das transições de fase de segunda ordem é o surgimento de fractais dentro de certas propriedades livres de escala. Há muito que se estabeleceu que a conformação dos glóbulos proteicos deriva das interações com a água. Os vinte aminoácidos que compõem os grupos laterais das cadeias peptídicas proteicas exibem um espectro que varia de hidrofílico a hidrofóbico, fazendo com que os resíduos hidrofílicos residam perto da superfície globular e os resíduos hidrofóbicos gravitam em direção ao núcleo globular. As investigações revelaram vinte fractais distintos nas áreas de superfície acessíveis ao solvente de mais de 5.000 segmentos de proteínas. A presença desses fractais fornece evidências de que as proteínas operam nas proximidades dos pontos críticos das transições de fase de segunda ordem.

Em grupos de organismos estressados, especialmente quando se aproximam de transições críticas, um fenômeno observável é o aumento simultâneo nas correlações e nas flutuações. Numerosos experimentos e observações em diversos grupos, incluindo humanos, ratos, árvores e plantas herbáceas, corroboram esse efeito.

Transições de fase nos sistemas sociais

A ocorrência de transições de fase foi levantada como hipótese dentro de sistemas sociais conceituados como sistemas dinâmicos. Especificamente, uma hipótese avançada durante as décadas de 1990 e 2000 relativa à paz e aos conflitos armados postula que a transformação de um conflito não violento num conflito armado constitui uma transição de fase de um estado latente para um estado manifesto dentro do sistema dinâmico.

Referências

Referências

Anderson, PW, Noções básicas de física da matéria condensada, Perseus Publishing (1997).

• Anderson, P.W., Noções básicas de física da matéria condensada, Perseus Publishing (1997).
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  Mídia relacionada às mudanças de fase no Wikimedia Commons

  • Transições de fase interativas em redes, com miniaplicativos Java.
  • Classes de universalidade, provenientes do Sklogwiki.