Fase (materia)

En las ciencias físicas , una fase es una región de un material químicamente uniforme, físicamente diferenciada y (a menudo) mecánicamente separable. En un sistema compuesto de hielo y agua en un recipiente de vidrio, los cubitos de hielo constituyen una fase, el agua una segunda fase y el aire húmedo una tercera fase sobre el hielo y el agua. El vidrio del recipiente es un material diferente, en su propia fase separada. (Véase estado de la materia §  Vidrio ).

Más precisamente, una fase es una región del espacio (un sistema termodinámico ) en la que todas las propiedades físicas de un material son esencialmente uniformes. ^{[ 1 ] [ 2 ] : 86 [ 3 ] : 3} Ejemplos de propiedades físicas incluyen la densidad , el índice de refracción , la magnetización y la composición química.

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 (como cuando el aceite y el agua se separan en fases distintas, ambas en estado líquido).

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.

Dentro de un mismo estado de la materia, pueden existir distintas fases. Como se muestra en el diagrama de aleaciones de hierro, existen varias fases tanto en estado sólido como líquido. Las fases también pueden diferenciarse según su solubilidad , como polar (hidrófila) o no polar (hidrófoba). Una mezcla de agua (un líquido polar) y aceite (un 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 soluto que puede disolverse en un disolvente antes de que 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. Los pares de metales que son mutuamente solubles pueden formar aleaciones , mientras que los pares de metales que son mutuamente insolubles no pueden.

Se han observado hasta ocho fases líquidas inmiscibles . ^{[ a ]} ​​Las fases líquidas mutuamente inmiscibles se forman a partir de agua (fase acuosa), disolventes orgánicos hidrofóbicos, perfluorocarbonos ( fase fluorada ), siliconas, varios metales diferentes y también a partir de 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. ^{[ b ]}

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.

Si se dejan en equilibrio, muchas composiciones formarán una fase única y 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 contenida en un recipiente cerrado con una capa de aire forma un sistema bifásico. La mayor parte del agua se encuentra en estado líquido, donde se mantiene unida por la atracción mutua entre sus moléculas. Incluso en equilibrio, las moléculas están en constante movimiento y, ocasionalmente, una molécula en estado líquido adquiere suficiente energía cinética para separarse de la fase líquida y pasar a la fase gaseosa. De igual modo, de vez en cuando, una molécula de vapor choca con la superficie del líquido y se condensa en él. En equilibrio, los procesos de evaporación y condensación se compensan exactamente y no se produce ningún cambio neto en el volumen de ninguna de las fases.

A temperatura y presión ambiente, el recipiente con agua alcanza el equilibrio cuando el aire que lo recubre tiene una humedad relativa de aproximadamente el 3 %. Este porcentaje aumenta con la temperatura. A 100  °C y presión atmosférica, el equilibrio no se alcanza hasta que el aire está compuesto al 100 % de agua. Si el líquido se calienta ligeramente por encima de los 100  °C, la transición de líquido a gas se producirá no solo en la superficie, sino en todo el volumen del líquido: el agua hervirá.

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

El diagrama de fases que se muestra aquí corresponde a un sistema de un solo componente. En este sistema simple, las fases posibles dependen únicamente de la presión y la temperatura . Las marcas indican los puntos donde dos o más fases pueden coexistir en equilibrio. A temperaturas y presiones alejadas de las marcas, solo existirá una fase en equilibrio.

En el diagrama, la línea azul que marca el límite entre el líquido y el gas no se extiende indefinidamente, sino que termina en un punto llamado punto crítico . A medida que la temperatura y la presión se aproximan al punto crítico, las propiedades del líquido y del 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 existen fases separadas de líquido y gas: 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 fases del agua es que la línea de transición sólido-líquido (ilustrada por la línea verde punteada) tiene una pendiente negativa. Para la mayoría de las sustancias, la pendiente es positiva, como se muestra en la línea verde oscura. Esta particularidad del agua se debe a que el hielo tiene una densidad menor que el agua líquida. Al aumentar la presión, el agua se desplaza hacia la fase de mayor densidad, lo que provoca su fusión.

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

Experimentalmente, las líneas de fase son relativamente fáciles de trazar debido a la interdependencia de la temperatura y la presión que se desarrolla cuando se forman múltiples fases. La regla de fases de Gibbs sugiere que las diferentes fases están completamente determinadas por estas variables. Consideremos un aparato de prueba que consiste en 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 fases. Desde un punto en la región de estabilidad sólida (lado izquierdo del diagrama), aumentar 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 temperatura y presión crecientes dentro de la región gaseosa del diagrama de fases. En el punto donde el gas comienza a condensarse en líquido, la dirección de la curva de temperatura y presión cambiará abruptamente para trazar la línea de fase hasta que toda el agua se haya condensado.

Entre dos fases en equilibrio existe una región estrecha donde las propiedades no corresponden a ninguna de ellas. Aunque esta región puede ser muy delgada, puede tener efectos significativos y fácilmente observables, como provocar tensión superficial en un líquido . En las mezclas, algunos componentes pueden desplazarse preferentemente hacia la interfaz . Para modelar, describir o comprender el comportamiento de un sistema en particular, puede resultar eficaz tratar la región interfacial como una fase independiente.

Un mismo material puede tener varios estados sólidos distintos capaces de formar fases separadas. El agua es un ejemplo bien conocido de este tipo de material. Por ejemplo, el hielo de agua se encuentra normalmente 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 para existir en más de una forma cristalina. Para los elementos químicos puros, el polimorfismo se conoce como alotropía . Por ejemplo, el diamante , el grafito y los fullerenos son diferentes alótropos del carbono .

Cuando una sustancia experimenta una transición de fase (cambia de un estado de la materia a otro), generalmente absorbe 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 necesaria para inducir la transición de fase se toma de la energía térmica interna del agua, lo que enfría el líquido a una temperatura más baja; por lo tanto, la evaporación es útil para enfriar. Véase 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 .

Si bien las fases de la materia se definen tradicionalmente para sistemas en equilibrio térmico, el trabajo sobre sistemas cuánticos localizados de muchos cuerpos (MBL) ha proporcionado un marco para definir fases fuera de equilibrio. Las fases MBL nunca alcanzan el equilibrio térmico y pueden dar lugar a nuevas formas de orden prohibidas en equilibrio mediante un fenómeno conocido como orden cuántico protegido por localización. Las transiciones entre diferentes fases MBL y entre las fases MBL y las fases termalizantes son transiciones de fase dinámicas novedosas cuyas propiedades constituyen áreas activas de investigación. ^{[ 4 ]}