Transições de fase e criticalidade

Estrutura em todas as escalas: Criticalidade

O que é o ponto crítico

Um fluido crítico é qualquer substância a uma pressão e temperatura determinadas, conhecidas como o ponto crítico. O ponto crítico é a temperatura mais alta a que o líquido e o gás (de uma substância pura) podem coexistir e corresponde a uma temperatura diferente para cada substância. A experiência do dia a dia não nos dá qualquer pista sobre a natureza do ponto crítico, porque a temperatura ambiente está muito acima da temperatura crítica do azoto (-147 ºC) e muito abaixo da temperatura crítica da água (374 ºC).

Imagine que aquecemos um recipiente fechado, com cerca de um terço de água e sem ar. A água líquida expande à medida que aquece, mas alguma evapora para o espaço ocupado pelo vapor, acima do líquido. A densidade do líquido diminui e a do vapor aumenta até que, à temperatura crítica, as densidades do líquido e do gás se tornam iguais. Neste ponto, o líquido e o gás são indistinguíveis em todos os aspectos: a superfície (menisco) que os separa desaparece e o calor latente anula-se.

Opalescência crítica.

Propriedades do ponto crítico

Perto do ponto crítico há mudanças espectaculares nas propriedades físicas do sistema:

• As flutuações na densidade, causadas pela agregação aleatória de grupos de moléculas, são amplificadas e dão origem à dispersão da luz incidente. Fluidos usualmente transparentes, como o xénon ou a água, ficam com aparência leitosa.
• O fluido torna-se extremamente 'macio' e comprime-se sob a influência do seu próprio peso. Por exemplo a minúscula pressão de 4 mm de Hg provoca uma compressão de 10% no xénon. Em contrapartida é necessária uma altura de 1 Km para obter uma variação semelhante na densidade atmosférica.
• O fluido torna-se extremamente lento do ponto de vista térmico –o transporte de calor ao longo de 1 cm de xénon perto do ponto crítico pode demorar dias, enquanto que para o ar ambiente demora apenas 1s.

Perto do ponto crítico a difusão mútua entre as duas fases praticamente cessa, as ondas sonoras são fortemente atenuadas no espaço de uns escassos comprimentos de onda, um feixe de laser é difundido fortemente (ver página seguinte), a capacidade calorífica e a condutividade térmica divergem e são necessárias horas, ou mesmo dias, para se atingir o equilíbrio térmico após uma perturbação deste. Contudo o aspecto fundamental, e mais surpreendente dos sistemas críticos, é a sua universalidade: a estrutura microscópica torna-se irrelevante e sistemas diferentes têm as mesmas propriedades críticas.

De facto, verificou-se que substâncias diferentes têm exactamente as mesmas características no ponto crítico. Assim, o estudo de uma substância no ponto crítico permite obter informação para todas as outras substâncias com as mesmas características (o xénon, por exemplo, é escolhido porque a sua temperatura e densidade críticas são facilmente acessíveis).

Como se estuda o ponto crítico

A Termodinâmica não descreve as propriedades dos sistemas no ponto crítico, pois o seu comportamento é determinado pelas flutuações e requer, por isso mesmo, uma descrição microscópica. Foi somente nos anos 60 e 70 do século passado que ocorreram avanços fundamentais baseados na Física Estatística. Estes permitiram a nossa compreensão das transições de fase, dos fenómenos críticos e deram origem a dois novos conceitos: universalidade e invariância de escala.