¡FuenteOvejuna, todos a una! (o “sobre las transiciones de fase”)


Written on June 24, 2008 – 10:51 pm | by Roman

En el colegio me enseñaron que el agua puede existir en tres fases diferentes a presión atmosférica: por debajo de 0ºC es sólida, como el hielo en mi Coca-Cola; entre 0ºC y 100ºC es líquida como el agua del mar, y por encima de 100ºC es gaseosa. De pequeño esto siempre me pareció alucinante. Sin embargo, que el agua pase de una forma a otra nos es tan natural y (a priori) obvio que no acostumbramos a preguntamos por el motivo que subyace a estos cambios. En la jerga científica dichos cambios se denominan transiciones de fase, y su estudio y entendimiento forman uno de los pilares más importantes de la física: la llamada física estadística.

¿A qué son debidos esos cambios?

Tal y como ya expliqué en algún post anterior, la materia esta formada de constituyentes como pueden ser las moléculas o los átomos. Las leyes que gobiernan a estos constituyentes son muy específicas y, en principio, dado un sistema formado de muchas partes parece que debería ser posible predecir el comportamiento exacto de todas las partes del sistema. Sin embargo, a menudo ocurre que las ecuaciones involucradas son demasiado complejas como para poder ser resueltas. Por ejemplo, para un sistema de cien mil millones de millones de moléculas el comportamiento exacto de cada molécula individual es, normalmente, imposible de obtener debido a los efectos que causan unas moléculas sobre otras.

No obstante, hay determinadas propiedades colectivas que si se pueden obtener. Estas propiedades colectivas son a su vez las que gobiernan las características macroscópicas del sistema (como la temperatura, presión y volumen de un gas). Para que os hagais una idea, es algo así como los píxels de una foto: visto muy de lejos es imposible determinar el color exacto de cada píxel, pero sin embargo sí que somos capaces de apreciar la imagen global de la foto. Esto es un fenómeno colectivo ‘macroscópico’ en el que participan todos los píxels.

Transición de un conjunto de átomos a la fase condensada de Bose-Einstein

Sigamos asumiendo que tenemos un sistema que esta constituido por cien mil millones de millones de moléculas. Pues bien: sucede que una variación de las condiciones en las que se encuentra el sistema puede hacer que se produzcan fenómenos colectivos, en donde todas las moléculas del sistema cambian de golpe a una configuración que resulta más ‘barata’ (en la que mi sistema tiene globalmente menos energía). Esto es, ni mas ni menos, en lo que consiste una transición de fase. Si el agua hierve a 100ºC a presión atmosférica es porque a la Naturaleza le sale más barata la fase ‘gas’ que la fase ‘liquida’ del agua bajo esas condiciones.

Dejadme que intente ilustrar lo dicho arriba con un ejemplo. Imaginaos un concierto de música al que asiste un gran numero de personas como público. Si todo está en silencio y, de repente, alguien del público empieza a aplaudir, rápidamente el número de aplausos aumenta hasta que todo el público aplaude y el clamor es general (algunos hasta se ponen de pie). Esto es un fenómeno colectivo de un sistema (público) formado por unos constituyentes individuales (personas). Una alteración externa (una buena canción) ha cambiado la fase en la que se encuentra el sistema de manera brusca (de ‘silencioso’ a ‘ensordecedor’).

Hay transiciones de fase muy populares, como las ya mencionadas sólido-líquido y líquido-gas del agua. Pero también hay transiciones menos conocidas y mucho más exóticas que resultan ser muy importantes, como la transición gas-plasma (sí, plasma como el de las pantallas de plasma). También son dignas de mención las transiciones aislante-superconductor de algunos materiales cerámicos, la transición a la fase superfluida del isótopo ‘helio 3’, la transición a condensado de Bose-Einstein de un conjunto de átomos con momento angular intrínseco (spin) entero, o la transición entre estados superfluido y aislante de Mott de un conjunto de átomos en una red óptica. El propio universo en el que vivimos sufrió diversas transiciones de fase en sus orígenes poco después del big-bang. Incluso se han determinado transiciones de fase en modelos de predicción de terremotos, y también en los problemas matemáticos denominados NP-Completos. Visto en perspectiva, yo diría que la Naturaleza sabe muy bien eso de que la unión hace la fuerza.

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