Transições de fase e criticalidade

Flutuações críticas e opalescência crítica

Flutuações críticas

Perto do ponto crítico aparecem flutuações na densidade do líquido, em todas as escalas possíveis. As flutuações da densidade (agregados moleculares, mais ou menos aleatórios, com dimensões que variam desde a escala atómica até às dimensões da amostra) tomam a forma de gotas de líquido misturadas com bolhas de gás. Há gotas e bolhas de todos os tamanhos, desde dimensões moleculares até ao tamanho do sistema.

Tensão superficial.

Longe do ponto crítico, a tensão superficial, que é a energia associada à interface entre dois ou mais meios distintos e é responsável pela forma das bolhas de gás e das gotas de líquido, torna as gotas e as bolhas instáveis e as flutuações da densidade são microscópicas.

No ponto crítico o líquido e o gás tornam-se indistinguíveis e a tensão superficial entre as duas fases anula-se permitindo flutuações em todas as escalas de comprimento. Em particular, as gotas e as bolhas da ordem de 1 µm dão origem a uma forte dispersão da luz, conhecida por opalescência crítica.

Opalescência crítica

A dispersão da luz é proporcional ao quadrado da diferença entre os índices de refracção das duas fases e aumenta à medida que as flutuações aumentam. No ponto crítico a dispersão da luz é tão intensa que o sistema se torna opaco. Nos vídeos seguintes este efeito é ilustrado através da passagem de um feixe de laser através do fluido, na região de uma fase, acima da temperatura crítica.

À medida que o fluido é arrefecido, a luz é projectada num écran, como mosta o diagrama. Quando a temperatura se aproxima do ponto crítico, começa a separação de fases e a imagem no écran ‘treme’ ao sabor das flutuações até se tornar completamente difusa (source). Um segundo vídeo (source), filmado perpendicularmente ao plano do diagrama, mostra como o laser, que atravessa o fluido como um ‘raio’, se difunde perto do ponto crítico.

A opalescência crítica é usualmente associada ao desaparecimento do menisco (interface) que separa as duas fases em coexistência abaixo da temperatura crítica. À medida que a temperatura aumenta uma das fases aumenta à custa outra e isto traduz-se no movimento do menisco. O menisco desaparece no ponto crítico e o seu aparecimento, acompanhado de opalescência crítica, é evidente quando o sistema se aproxima da temperatura crítica, a partir da região de uma fase como se pode ver no vídeo (source).