¿Por qué estudiamos las transiciones de fase?

Las transiciones de fase implican dos conceptos apreciados en todas las ramas de la física: energía y simetría.

Una transición de fase, por definición, implica una discontinuidad en la energía libre termodinámica de un sistema (o alguna derivada de la misma); La energía (incluido su equivalente en masa) es una cantidad clave conservada en física. Las transiciones de fase a menudo también implican una ruptura de simetría (si la temperatura está impulsando la transición de fase, la fase de temperatura más baja generalmente tiene simetrías más bajas , lo que significa que hay menos transformaciones que dejan el sistema invariable); La simetría es un concepto clave en física porque proporciona un marco para “simplificar” los problemas y (más fundamentalmente) porque las cantidades conservadas en física tienen simetrías asociadas y viceversa (ver: Teorema de Noether).

En la escuela, las transiciones de fase a menudo se presentan como hielo convirtiéndose en agua convirtiéndose en vapor de agua, final de la historia, pero el tema es mucho más rico. También implica que el hielo a presión atmosférica mundana se transforme en una de las otras 14 fases cristalinas de hielo con la combinación adecuada de presión y temperatura (ver: fases de hielo). Abarca un metal que se transforma en un superconductor a baja temperatura (o, en los tiempos modernos, un ‘metal extraño’ que se transforma en una ‘fase de pseudogap’ que se transforma en un superconductor), o un imán que pierde su magnetismo cuando se aplica presión pero la temperatura se mantiene constante. También es un plasma de quarks gluones que se transforma en hadrones y eventualmente materia ordinaria a medida que el universo primitivo se volvió más frío y menos denso.

Además de aparecer en múltiples campos, las ideas obtenidas al comprender la transición de una fase a menudo se pueden aplicar directamente a una completamente diferente. En particular, las transiciones de fase continua pueden agruparse en clases de universalidad, en las que sistemas aparentemente diferentes pueden tener enfoques muy similares hacia una transición de fase si comparten ciertos criterios (dimensionalidad, rango de interacciones).

Debido a que es un fenómeno fascinante, sorprendente propiedad de la materia para cambiar las propiedades globales en un modo colectivo mientras es un sistema de átomos o moléculas individuales. Es un punto central de la teoría de la complejidad y está especialmente relacionado con un concepto de equilibrios puntuados. ¡Estas transiciones de fase jugaron un papel crucial en el universo y la evolución de la vida! http://complexitylabs.io/phase-t

Desde el punto de vista físico, para comprender mejor cómo funciona la materia. ¡Desde el punto de vista del ingeniero, a mejores sistemas de control donde ocurren las transiciones de fase!

Solo un ejemplo: ¿cómo optimizar el ciclo termodinámico en una nevera?

Las transiciones de fase se han estudiado durante mucho tiempo. Por ejemplo, la ecuación de Van der Waals: Wikipedia para la transición de fase líquido-gas se remonta a finales del siglo XIX. Pero la verdadera emoción en el estudio de las transiciones de fase es sobre las propiedades de un punto Crítico (termodinámica) – Wikipedia, y particularmente la idea de una clase de Universalidad – Wikipedia.

Es una matemática muy elegante que hace predicciones que se pueden probar haciendo experimentos en el laboratorio. Esa es una combinación irresistible.

Además de las transiciones geniales que describió Inna Vishik, una transición de fase también podría dar como resultado un cambio drástico en las propiedades. Jugué con aleaciones intermetálicas de níquel-aluminio en la escuela de posgrado. La formación de un intermetálico (NiAl) arruinó la formación del intermetálico que quería (Ni3Al). Ni3Al tiene una resistencia fantástica a la fluencia a altas temperaturas.

Pude usar las transiciones de fase de agua a hielo para mostrar que los átomos en las moléculas son objetos esféricos con tamaños fijados a la temperatura y explicar por qué el hielo nanohex (ver Koga .et .al para más detalles o visitar http://www.ultrawavetheory.org para explicaciones) tenía una inclinación hacia la forma hexagonal. Estudiar tales transiciones ayuda a comprender la composición física de los materiales a nivel atómico.

¡Porque son geniales ! Y / o caliente ! Las transiciones de fase son donde todos los detalles desagradables sobre las ecuaciones de estado se convierten en magia .

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