¿Cada nivel de ionización en un plasma es una fase separada?

El plasma a menudo se describe como una fase separada de la materia. La propiedad definitoria de los plasmas es que son gases de partículas cargadas que se mueven libremente, lo que permite que los fenómenos eléctricos y magnéticos a gran escala dominen su comportamiento. Una de las formas en que seleccionamos las transiciones de fase es observar cómo varía la temperatura con el calor de entrada (capacidad calorífica), con transiciones que ocurren cuando la energía se dirige a impulsar una transición de fase en lugar de aumentar el movimiento cinético en el medio (por ejemplo, sacar las moléculas de agua de la fase líquida cuando se hierve el agua).

Con eso en mente, si tomo gas hecho de átomos de un solo elemento (para concretar, digamos carbono u oxígeno) y procedo a calentarlo, ¿exhibe una transición de fase del tipo descrito anteriormente entre estados de ionización? Si es así, ¿esos estados de ionización se consideran fases separadas o algún tipo de "subfases" como las diferentes fases en el hielo sólido ?

Si no se produce una transición de fase entre los estados de ionización, ¿significa eso que tampoco hay transición de fase entre el gas neutro y el plasma? Si la hay, ¿qué separa esa primera transición de ionización de las restantes?

Cuando calienta un gas hasta el punto de ionización, no solo pasa a un estado de ionización (a menos que sea hidrógeno, por supuesto); puebla todos los estados de ionización con densidades numéricas descritas por la ecuación de Saha para cada estado en particular.
@probably_someone ¿es eso suficiente para decir que no hay transición de fase? Si coloco agua pura en un recipiente cerrado, exhibirá un equilibrio de fase entre el agua y el gas que depende de la temperatura y la presión, y a medida que la caliente, el equilibrio cambia de líquido a gas, pero eso no significa que no haya una transición de fase.
La diferencia aquí es que en el agua, tienes algún parámetro de orden (en este caso, la densidad) que se vuelve discontinuo a una temperatura crítica. Este parámetro no existe para el plasma; en cada variable medible, el sistema evoluciona continuamente a medida que aumenta la temperatura. Este proceso suele ser lo que se conoce como un cruce analítico. Pequeña fuente: web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/…

Respuestas (1)

Como acabo de explicar en una respuesta diferente , comúnmente hay tres criterios que deben cumplirse para llamar a un sistema plasma :

  1. λ D ≪ L , con λ D la longitud de Debye y L la dimensión espacial del plasma. Como lo ha descrito en la pregunta, un plasma consta de partículas cargadas (y neutras) y la interacción entre las partículas viene dada por la interacción de Coulomb. Esta es la principal diferencia con un gas, donde simplemente tienes colisiones directas. El resultado son interacciones de largo alcance en un plasma que no ocurren en un gas. Volviendo a la longitud de Debye , es la distancia después de la cual el campo eléctrico de una carga de prueba es apantallado por partículas de plasma.
  2. norte D ≫ 1 , con norte D el número de partículas en la esfera de Debye . La esfera de Debye tiene un radio de λ D y contiene todas las partículas de plasma que filtran el campo de la carga de prueba que ponemos en el plasma.
  3. ω pag mi τ 0 mi > 1 , con ω pag mi la frecuencia del plasma de electrones y τ 0 mi el tiempo de colisión entre neutros y electrones. La frecuencia del plasma a menudo se describe como la escala de tiempo más fundamental en la física del plasma. Es la frecuencia con la que las partículas oscilan colectivamente cuando aplicas un campo eléctrico externo (piensa en una oscilación armónica). La frecuencia más alta y, por lo tanto, la escala de tiempo más corta la dan los electrones, ya que pueden reaccionar mucho más rápido a los campos externos (debido a su masa más pequeña en comparación con los iones). Otra forma de escribir esta condición sería τ pag mi ≪ τ 0 mi , es decir, el tiempo de colisión debe ser mucho mayor que el tiempo de oscilación.

Como habrá adivinado, la respuesta a su pregunta es que no hay una transición de fase clara al estado de plasma. Por lo tanto , llamar a un plasma el cuarto estado de la materia es algo engañoso. Además, si aumenta el nivel de ionización, simplemente aumenta la densidad numérica de electrones y la energía de las partículas de plasma. Eso podría cambiar la longitud de Debye y la frecuencia del plasma (la primera depende de la temperatura y la densidad de los electrones, la última solo de la densidad), pero no habrá una transición abrupta.

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