Classificação de Ehrenfest para as transições de fase

Fase e estado físico: existe diferença?

Quando se fala em transição de fases logo pensamos em processos como fusão, ebulição, condensação e sublimação. Todos esses processos são acompanhados por mudanças de estado físico, o que nos dá a  impressão de que "transição de fase" é sinônimo de "mudança de estado físico". Entretanto, isso não é verdade! Existem transições de fase que não são acompanhadas por mudanças de estado físico, como, por exemplo, a transição que ocorre nos aços no processo de têmpera.

Para entendermos essas diferenças é importante ter em mente que fase não é sinônimo de estado físico! Uma fase é uma porção de matéria física e quimicamente homogênea, enquanto que estado físico é uma porção de matéria fisicamente homogênea que pode apresentar falta de homogeneidade química. Grafite e diamante, por exemplo, são igualmente sólidos, mas constituem fases diferentes devido às diferentes ligações químicas que existem entre eles. Todos os alótropos de um dado elemento químico são fases diferentes desse elemento, mesmo que estejam no mesmo estado físico.

Como podem existir transições de fases sem que haja mudança de estado físico, é útil classificar as transições de fase de maneira a generalizar as mudanças que se observam em cada caso. Um dos principais sistemas de classificação é o desenvolvido pelo físico austríaco Paul Ehrenfest, conhecido como Classificações de Ehrenfest.

 Classificação de Ehrenfest para as transições de fase

O sistema de classificação desenvolvido por Paul Ehrenfest se baseia no comportamento de determinadas propriedades, que podem ser definidas como derivadas do potencial químico, na temperatura de transição (caso você não saiba o que é o potencial químico sugerimos que você assista ao vídeo O que é potencial químico).

Os detalhes matemáticos e conceituais são explicados no vídeo abaixo:

Ehrenfest chama de transição de primeira ordem aquelas que apresentam uma descontinuidade no volume, na entropia e na entalpia, na temperatura de transição (Figura 1). Essas transições são denominadas de primeira ordem porque todas essas propriedades podem ser definidas como uma primeira derivada do potencial químico.  Como mostrado na Figura 1, para transições de primeira ordem podemos falar em variação de entalpia, volume e entropia de transição, visto que as fases em equilíbrio, na temperatura de transição, apresentam valores diferentes dessas propriedades.

Figura 1: Comportamento da entropia, do volume e da entalpia em uma transição de primeira ordem. A linha pontilhada indica a temperatura de transição.

Por outro lado, algumas transições de fase – como a transição do estado condutor para o estado supercondutor em determinados materiais – apresentavam descontinuidade em propriedades que podem ser definidas como uma segunda derivada do potencial químico. Essas propriedades são: a capacidade calorífica a pressão constante (C_P), o coeficiente de expansão térmica (α), e o coeficiente de compressibilidade isotérmica (). Nesses casos não se observam descontinuidades no volume, na entropia e na entalpia, mas sim nas propriedades mostradas na Figura 2.

Figura 2: Comportamento da capacidade calorífica a pressão constante, do coeficiente de expansão térmica e do coeficiente de compressibilidade isotérmica em uma transição de primeira ordem. A linha pontilhada indica a temperatura de transição.

Há ainda outros tipos de transição de fase, como a transição lambada. Também existem controvérsias quanto a classificação de transições, como é o caso da transição vítrea que é muitas vezes descrita como uma transição de segunda ordem. Isso mostra que o tema “transição de fases” é rico em detalhes e muito mais complexo do que pode parecer à primeira vista.