Fase (materia)

En las ciencias físicas, una fase es una región del espacio (un sistema termodinámico), en el que todas las propiedades físicas de un material son esencialmente uniformes. Los ejemplos de propiedades físicas incluyen densidad, índice de refracción, magnetización y composición química. Una descripción simple es que una fase es una región de material que es químicamente uniforme, físicamente distinta y (a menudo) mecánicamente separable. En un sistema que consta de hielo y agua en un frasco de vidrio, los cubos de hielo son una fase, el agua es una segunda fase y el aire húmedo es una tercera fase sobre el hielo y el agua. El vaso de la jarra es otra fase aparte. (Ver estado de la materia § Vidrio)

El término fase se usa a veces como sinónimo de estado de la materia, pero puede haber varias fases inmiscibles del mismo estado de la materia. Además, el término fasese usa a veces para referirse a un conjunto de estados de equilibrio delimitados en términos de variables de estado como la presión y la temperatura por un límite de fase en un diagrama de fase. Debido a que los límites de fase se relacionan con cambios en la organización de la materia, como un cambio de líquido a sólido o un cambio más sutil de una estructura cristalina a otra, este último uso es similar al uso de "fase" como sinónimo de estado de asunto. Sin embargo, los usos del estado de la materia y del diagrama de fase no se corresponden con la definición formal dada anteriormente y el significado pretendido debe determinarse en parte a partir del contexto en el que se usa el término.

Tipos de fases

Las distintas fases pueden describirse como diferentes estados de la materia, como gas, líquido, sólido, plasma o condensado de Bose-Einstein. Las mesofases útiles entre sólido y líquido forman otros estados de la materia.

También pueden existir distintas fases dentro de un estado dado de la materia. Como se muestra en el diagrama de las aleaciones de hierro, existen varias fases tanto para el estado sólido como para el líquido. Las fases también se pueden diferenciar en función de la solubilidad, como polar (hidrofílica) o no polar (hidrofóbica). Una mezcla de agua (líquido polar) y aceite (líquido no polar) se separará espontáneamente en dos fases. El agua tiene una solubilidad muy baja (es insoluble) en aceite, y el aceite tiene una solubilidad baja en agua. La solubilidad es la cantidad máxima de un soluto que puede disolverse en un solvente antes de que el soluto deje de disolverse y permanezca en una fase separada. Una mezcla puede separarse en más de dos fases líquidas y el concepto de separación de fases se extiende a los sólidos, es decir, los sólidos pueden formar soluciones sólidas o cristalizar en distintas fases cristalinas.

Se han observado hasta ocho fases líquidas inmiscibles. Las fases líquidas mutuamente inmiscibles se forman a partir de agua (fase acuosa), disolventes orgánicos hidrofóbicos, perfluorocarbonos (fase fluorosa), siliconas, varios metales diferentes y también fósforo fundido. No todos los disolventes orgánicos son completamente miscibles, por ejemplo, una mezcla de etilenglicol y tolueno puede separarse en dos fases orgánicas distintas.

Las fases no necesitan separarse macroscópicamente de forma espontánea. Las emulsiones y los coloides son ejemplos de combinaciones de pares de fases inmiscibles que no se separan físicamente.

Equilibrio de fase

Si se dejan equilibrar, muchas composiciones formarán una sola fase uniforme, pero dependiendo de la temperatura y la presión, incluso una sola sustancia puede separarse en dos o más fases distintas. Dentro de cada fase, las propiedades son uniformes pero entre las dos fases las propiedades difieren.

El agua en una jarra cerrada con un espacio de aire sobre ella forma un sistema de dos fases. La mayor parte del agua se encuentra en la fase líquida, donde se mantiene por la atracción mutua de las moléculas de agua. Incluso en el equilibrio, las moléculas están en constante movimiento y, de vez en cuando, una molécula en la fase líquida gana suficiente energía cinética para separarse de la fase líquida y entrar en la fase gaseosa. Asimismo, de vez en cuando una molécula de vapor choca con la superficie del líquido y se condensa en el líquido. En el equilibrio, los procesos de evaporación y condensación se equilibran exactamente y no hay cambio neto en el volumen de ninguna de las fases.

A temperatura y presión ambiente, la jarra de agua alcanza el equilibrio cuando el aire sobre el agua tiene una humedad de alrededor del 3%. Este porcentaje aumenta a medida que sube la temperatura. A 100 °C y presión atmosférica, el equilibrio no se alcanza hasta que el aire es 100% agua. Si el líquido se calienta un poco más de 100 °C, la transición de líquido a gas ocurrirá no solo en la superficie sino en todo el volumen del líquido: el agua hierve.

Número de fases

Para una composición dada, solo ciertas fases son posibles a una temperatura y presión dadas. El número y tipo de fases que se formarán es difícil de predecir y generalmente se determina mediante experimentos. Los resultados de tales experimentos se pueden representar en diagramas de fase.

El diagrama de fase que se muestra aquí es para un sistema de un solo componente. En este sencillo sistema, las fases que son posibles, depende únicamente de la presión y la temperatura. Las marcas muestran puntos donde dos o más fases pueden coexistir en equilibrio. A temperaturas y presiones alejadas de las marcas, solo habrá una fase en equilibrio.

En el diagrama, la línea azul que marca el límite entre el líquido y el gas no continúa indefinidamente, sino que termina en un punto llamado punto crítico. A medida que la temperatura y la presión se acercan al punto crítico, las propiedades del líquido y el gas se vuelven progresivamente más similares. En el punto crítico, el líquido y el gas se vuelven indistinguibles. Por encima del punto crítico, ya no hay fases líquidas y gaseosas separadas: solo hay una fase fluida genérica denominada fluido supercrítico. En el agua, el punto crítico se produce alrededor de los 647 K (374 °C o 705 °F) y 22,064 MPa.

Una característica inusual del diagrama de fase del agua es que la línea de fase sólido-líquido (ilustrada por la línea verde punteada) tiene una pendiente negativa. Para la mayoría de las sustancias, la pendiente es positiva, como lo ejemplifica la línea verde oscuro. Esta característica inusual del agua está relacionada con el hecho de que el hielo tiene una densidad más baja que el agua líquida. El aumento de la presión lleva al agua a la fase de mayor densidad, lo que provoca el derretimiento.

Otra característica interesante, aunque no inusual, del diagrama de fase es el punto donde la línea de fase sólido-líquido se encuentra con la línea de fase líquido-gas. La intersección se conoce como el punto triple. En el punto triple, las tres fases pueden coexistir.

Experimentalmente, las líneas de fase son relativamente fáciles de mapear debido a la interdependencia de temperatura y presión que se desarrolla cuando se forman múltiples fases. Consulte la regla de fase de Gibbs. Considere un aparato de prueba que consta de un cilindro cerrado y bien aislado equipado con un pistón. Al controlar la temperatura y la presión, el sistema puede llevarse a cualquier punto del diagrama de fase. Desde un punto en la región de estabilidad sólida (lado izquierdo del diagrama), el aumento de la temperatura del sistema lo llevaría a la región donde un líquido o un gas es la fase de equilibrio (dependiendo de la presión). Si el pistón se baja lentamente, el sistema trazará una curva de aumento de temperatura y presión dentro de la región del gas del diagrama de fase. En el punto donde el gas comienza a condensarse en líquido,

Fenómenos interfaciales

Entre dos fases en equilibrio hay una estrecha región donde las propiedades no son las de ninguna de las fases. Aunque esta región puede ser muy delgada, puede tener efectos significativos y fácilmente observables, como hacer que un líquido muestre tensión superficial. En mezclas, algunos componentes pueden moverse preferentemente hacia la interfase. En términos de modelado, descripción o comprensión del comportamiento de un sistema particular, puede ser eficaz tratar la región interfacial como una fase separada.

Fases de cristal

Un solo material puede tener varios estados sólidos distintos capaces de formar fases separadas. El agua es un ejemplo bien conocido de dicho material. Por ejemplo, el hielo de agua normalmente se encuentra en la forma hexagonal hielo I _h ​​, pero también puede existir como hielo cúbico I _c, hielo romboédrico II y muchas otras formas. El polimorfismo es la capacidad de un sólido de existir en más de una forma cristalina. Para elementos químicos puros, el polimorfismo se conoce como alotropía. Por ejemplo, el diamante, el grafito y los fullerenos son alótropos diferentes del carbono.

Transiciones de fase

Cuando una sustancia pasa por una fase de transición (cambia de un estado de la materia a otro), por lo general toma o libera energía. Por ejemplo, cuando el agua se evapora, el aumento de la energía cinética a medida que las moléculas que se evaporan escapan de las fuerzas de atracción del líquido se refleja en una disminución de la temperatura. La energía requerida para inducir la transición de fase se toma de la energía térmica interna del agua, que enfría el líquido a una temperatura más baja; por lo tanto, la evaporación es útil para enfriar. Ver Entalpía de vaporización. El proceso inverso, la condensación, libera calor. La energía calorífica, o entalpía, asociada con una transición de sólido a líquido es la entalpía de fusión y la asociada con una transición de sólido a gas es la entalpía de sublimación.

Fases fuera del equilibrio

Si bien las fases de la materia se definen tradicionalmente para sistemas en equilibrio térmico, el trabajo en sistemas cuánticos localizados de muchos cuerpos (MBL) ha proporcionado un marco para definir fases fuera de equilibrio. Las fases de MBL nunca alcanzan el equilibrio térmico y pueden permitir nuevas formas de orden no permitidas en equilibrio a través de un fenómeno conocido como orden cuántico protegido por localización. Las transiciones entre diferentes fases de MBL y entre MBL y fases de termalización son transiciones de fase dinámicas novedosas cuyas propiedades son áreas activas de investigación.