Le transizioni di fase, definite anche “passaggio di stato” o “cambiamento di stato” o “transizione di stato” sono uno dei fenomeni fisici e chimici più complessi, affascinanti e quotidiani della natura. Uno degli esempi più classici e che sperimentiamo ogni giorno è quando l’acqua inizia a bollire prima di gettarvi i nostri spaghetti.
Alla temperatura di 100 °C l’acqua inizia a bollire, cioè passa dalla fase liquida a quella gassosa, così come a 0 °C passa dalla fase liquida a quella solida, il ghiaccio. Questi cambiamenti repentini dello stato di H20 ci pone alcuni interrogativi: per quale motivo avvengono queste trasformazioni e perché proprio a quelle precise temperature. La caratteristica distintiva di una transizione di fase è proprio il brusco cambiamento di una o più proprietà fisiche, in particolare la capacità termica, alla minima variazione di variabili termodinamiche come la temperatura.
Responsabili di queste transazioni di fase sono atomi e molecole che si scambiano “informazioni” ad una velocità sorprendente. Nel caso della fisica, «scambiarsi informazioni» equivale a «essere sottoposto a delle forze», ma se vogliamo semplificare il concetto questo scambio di informazioni non è altro che l’influenza che un oggetto microscopico esercita su un altro oggetto molto vicino, poiché oggetti molto distanti non sono in grado di scambiarsi informazioni.
Queste transizioni avvengono quando l’energia libera di un sistema è non-analitica per alcuni valori delle variabili termodinamiche. Questa non-analiticità generalmente proviene da sistemi con un alto numero di particelle e non è presente in sistemi molto piccoli. Le transizioni di fase non sono tutte uguali e si possono classificare in transizioni di fase di primo ordine e di secondo ordine.
Le transizioni di fase di primo ordine
Il cambiamento di stato dell’acqua fa parte di questa prima classe. Perché questo fenomeno avviene tutto insieme e quando si raggiunge una determinata temperatura? Cosa fa bollire l’acqua soltanto al raggiungimento dei 100° e con un solo grado di meno non accade niente? La soluzione a questa domanda fu trovata negli anni Cinquanta dello scorso secolo partendo da un concetto generale in fisica: la minimizzazione dell’energia.
In natura ogni oggetto cerca di raggiungere la sua posizione di minima energia e quindi di equilibrio. È quello che accade al ghiaccio che sotto gli 0° si trova in uno stato di equilibrio stabile (solido) corrispondente a un minimo della sua energia libera. Se si aumenta la temperatura le molecole che nella fase solida occupano posizioni prefissate tornano libere e iniziano ad agitarsi fino a raggiungere la fase liquida, anch’essa un equilibrio stabile e quindi una nuova soglia di minima energia.
Fornire calore all’acqua rappresenta quindi uno stimolo alle molecole bloccate durante la fase solida nel loro reticolo cristallino e quando si arriva a 0° i legami iniziano a rompersi fino a quando tutto il ghiaccio si sarà sciolto. Queste transizioni di fase, chiamate di primo grado, sono caratterizzate da due elementi: il primo è il fatto che il sistema, in prossimità del punto critico, non presenta nessuna caratteristica microscopica che possa far pensare a una sua imminente modificazione.
Il secondo fenomeno è il calore latente ovvero quella quantità di energia scambiata sotto forma di calore che nel nostro esempio serve a rompere i legami delle molecole “cristallizzate” e far tornare l’acqua allo stato liquido.
Le transizioni di fase del secondo ordine
Questa tipologia di transazioni non è associata ad alcun calore latente. Esempi di transizioni di fase del secondo ordine sono la transizione ferromagnetica e la transizione superfluida. In questi casi la transizione si verifica in modo continuo e graduale con il crescere della temperatura. L’esempio classico è quello di una calamita che a temperatura ambiente è un sistema magnetico, perde la sua magnetizzazione all’aumentare della temperatura. In termini tecnici si dice che la calamita passa da una fase ferromagnetica (magnetica) a una fase paramagnetica (non magnetica).
Le transizioni di fase spesso (ma non sempre) avvengono tra fasi a differente simmetria. La transizione ferromagnetica è un esempio di transizione con simmetria rotta, in questo caso l’inversione della corrente elettrica di spin e delle linee del campo magnetico. Questa simmetria è anche detta “simmetria su-giù” o di “inversione temporale”.
Fonti:
alcune voci di Wikipedia
Un volo di storni di G. Parisi
