¿La cera pasa por una transición de fase brusca cuando se derrite?

Cuando el hielo se derrite, el sistema pasa bruscamente de sólido a líquido. No hay un estado intermedio donde sea suave. Esta es una verdadera transición de fase. El potencial termodinámico no es una función analítica de sus parámetros.

¿Ocurre lo mismo con la cera? En mi experiencia jugando con velas, he visto cera sólida y líquida y noto que, cuando la cera se va calentando, se hace más fácil clavarle una cerilla. Sin embargo, nunca he hecho experimentación sistemática y nunca me he tomado la molestia de buscar literatura científica sobre el problema. ¿Alguien sabe acerca de esto? ¿La cera cambia bruscamente de ser sólida a líquida a medida que se calienta o hay un cruce suave?

PD: Aunque mi pregunta puede responderse con un simple sí/no, agradecería mucho una respuesta detallada. ¿Por qué la cera es diferente/similar al agua cuando se derrite? Si la respuesta es 'no', ¿qué sucede en la transición? ¿Es una versión suavizada de la transición de fase del agua o hay una diferencia mayor?

PPS: Tengo la misma pregunta sobre el chocolate. ¿Que me puedes decir?

Parte de su problema puede ser la frase "verdadera transición de fase". No encontrarás esa frase en Callen ni en ningún otro texto serio sobre el tema. En su lugar, se suscribirán a uno o más de los esquemas de clasificación habituales. Está describiendo una transición de fase de "primer orden", pero hay otros tipos.
Los materiales puros tienden a tener un punto de fusión bien definido. Con la mayoría de los otros materiales, hay una temperatura de solidus y una temperatura de liquidus con una suspensión intermedia que a menudo genera propiedades de fluido no newtonianas. Otro problema se relaciona con la cristalización, que depende de la tasa de cambio de temperatura. Algo como la cera experimenta un comportamiento vítreo que incluye un ablandamiento.

Respuestas (3)

Los polímeros como la cera definitivamente experimentan transiciones de fase. Preguntaste sobre la cera de parafina, que es a base de aceite.

La cera de parafina está hecha de moléculas largas en forma de varilla llamadas alcanos lineales de cadena lineal. Es sólido a temperatura ambiente, pero cuando se refina como parafina líquida y se combina con agua, puede actuar como cristal líquido, lo que complica su diagrama de fases.

El cristal líquido es una fase en sí mismo. Hay otras fases dentro de la fase de cristal líquido. En la fase nemática, las moléculas de parafina con forma de barra larga apuntan todas en la misma dirección pero no tienen una estructura posicional. En la fase esméctica, las moléculas tienden a formar capas (por ejemplo, el jabón resbaladizo que se acumula en el fondo de una jabonera es un cristal líquido esméctico). En la fase colestérica, las capas giran en espiral alrededor de un eje imaginario. Aquí hay una descripción de estas y otras fases de cristal líquido: http://plc.cwru.edu/tutorial/enhanced/files/lc/phase/phase.htm .

Los diagramas de fase de polímeros como la parafina pueden no parecerse a los diagramas de fase con los que está familiarizado. Dependiendo de cómo se altere la molécula de parafina en el refinado, sus atributos de fase cambiarán. Puede ser líquido a temperatura ambiente o sólido. El diagrama de fase puede cambiar si la parafina se combina con agua, porque cuando se trata con otros materiales puede ser un tensioactivo/emulsionante. Un extremo de la molécula puede ser hidrofílico mientras que el otro es hidrofóbico, y en ese caso se alterará el diagrama de fase. A diferencia de un elemento puro, la parafina puede tener muchos diagramas de fase según el proceso de refinería que la produjo, los aditivos y otras sustancias con las que se combina.

Una razón por la que puede tener problemas para notar las transiciones de fase de la cera es que el calor no fluye inmediatamente a través de una gota de cera. Las capas exteriores se ablandan y licuan primero. Aquí hay un enlace a un estudio de transiciones de fase en parafina: http://www.ijettjournal.org/volume-2/issue2/IJETT-V2I2P213.pdf .

El chocolate no es un polímero, pero el chocolate económico se puede mezclar con parafina para darle cualidades similares a las del polímero, como el brillo y la suavidad de la superficie. Cuando se trata de sustancias compuestas como el chocolate, es posible que el diagrama de fase no represente la presión frente a la temperatura. Por ejemplo, aquí hay un enlace a un estudio de las seis fases polimórficas del chocolate: http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11746-998-0245-y . Y aquí hay una explicación de esas fases: http://patentimages.storage.googleapis.com/WO2012135279A1/imgf000006_0001.png . Aquí hay un diagrama de fase que traza el tiempo de enfriamiento frente a la temperatura, que muestra cómo el chocolate necesita la combinación óptima de temperatura y tiempo de enfriamiento para formar la estructura de fase más deseable (desplácese hacia abajo hasta el diagrama de fase):http://soft-matter.seas.harvard.edu/index.php/The_Science_of_Chocolate:_interactive_activities_on_phase_transitions,_emulsification,_and_nucleation .

Esto se reduce al hecho de que el hielo es un cristal y la cera (y el chocolate) es un material similar a un polímero (vítreo).

Aquí está el gráfico de rigidez de un polímero a medida que se calienta. Cuando hace frío, el polímero está en una fase vítrea. A medida que se calienta, entra en la "fase coriácea" y comienza a ablandarse. A medida que se calienta más, el material se vuelve progresivamente más suave, ya que los enlaces moleculares se debilitan por la energía adicional.

Por el contrario, un gráfico de hielo (u otro material cristalino comparable) parecería un acantilado vertical. Por un lado es hielo (sólido) y por el otro lado es líquido.

De hecho, se podría decir que la cera en realidad nunca se congela: simplemente se convierte en un líquido cada vez más viscoso.

EDITAR: Como me han recordado en los comentarios, los polímeros pueden ser cristales, pero normalmente tienen una configuración vítrea, por lo que todas las referencias a los polímeros anteriores son para polímeros en una configuración vítrea.

Los polímeros pueden convertirse en cristales, pero normalmente se encuentran en una fase vítrea. Así que tenga cuidado con su terminología.
@Floris, actualicé la respuesta para reflejar eso.
No veo que esto responda explícitamente a la pregunta: ¿hay una transición de fase (de primer o segundo orden) en el sentido de la física estadística, o no la hay? "Casi se podría decir" es una frase muy vaga, y el diagrama esencialmente solo describe el ablandamiento gradual que se describe en la pregunta.
@ACuriousMind: ¿"hay un cambio en la capacidad de calor consistente con un rápido aumento en la entropía" sería una definición suficiente de transición de fase en el sentido de la física estadística para usted?
@Floris: debería haber una discontinuidad o una divergencia en una cantidad termodinámica (podría ser la capacidad calorífica, pero no es necesario), una declaración de que tal cosa no existe, o una declaración de que se desconoce si una transición de fase real se le ocurre responder correctamente a esta pregunta. Tenga en cuenta que la pregunta pregunta explícitamente: "El potencial termodinámico no es una función analítica de sus parámetros. ¿Ocurre lo mismo con la cera?"

El hielo tiene un punto de fusión agudo porque es una sustancia pura. La cera es una mezcla de hidrocarburos de mayor peso molecular, por lo que no tiene el mismo punto de fusión agudo. Si bien tengo experiencia petroquímica en mi experiencia, no trabajé mucho con ceras, por lo que no puedo darle una estimación firme de la composición, pero sospecho que las búsquedas en la web pueden proporcionar ejemplos más específicos.

Esto no responde a la pregunta de si hay o no una transición de fase en el sentido de la física estadística que ocurre en algún momento.
@ACuriousMind, dado que parece saber la respuesta con tanta precisión, ¿qué tal si nos ilumina en lugar de decirles continuamente a todos los que comentan aquí que "no hemos respondido la pregunta", cuando de hecho ambos la hemos respondido?
Lo siento, Stack Tracer, pero estoy de acuerdo con ACuriousMind. Gracias por su respuesta. Aprendí algo interesante. Sin embargo, mi pregunta es si hay o no una transición de fase en el sentido de la física estadística. De su gráfico, inferiría que hay una transición de fase entre las fases sólida y coriácea y dos transiciones cruzadas a temperaturas más altas. Por 'transición de fase' me refiero a un cambio brusco en la dependencia de la temperatura de la rigidez o uno de sus derivados. Solo respondes la parte 'PD' de mi pregunta.
¿La cera pasa por una transición de fase brusca cuando se derrite?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 2v