¿Ejemplos de núcleos de transición de fase cuya dinámica impide su propio crecimiento?
Natavi
Hace poco hice una pregunta en el intercambio de pila de Ciencias de la Tierra sobre la formación de nubes cúmulos a partir de (aproximadamente) fuentes puntuales. Estos puntos pueden formarse casi al mismo tiempo en grandes áreas, como este ejemplo de 10-15 que aparecen en todo Mississippi, extraídos de los datos del satélite GOES-East :
o este ejemplo de la misma fuente y fecha en Guatemala:
Es probable que estas fuentes puntuales sean térmicas , corrientes ascendentes cálidas que se forman sobre suelo caliente. El aire caliente sube y se enfría a medida que se expande en un entorno de menor presión, luego vuelve a hundirse a lo largo del exterior de la columna, como en esta imagen de Wikipedia del modelo térmico de pluma:
Para resumir en lenguaje físico: un medio se acerca a una transición de fase, pero los núcleos que se forman pueden, hasta cierto punto, autoestabilizarse contra un mayor crecimiento en el área . Es decir, su propia dinámica actúa para impedir su mayor crecimiento.
Por supuesto, esta estabilidad se debe en parte a que el sistema está cerca de la criticidad. Si se elevara por encima de su temperatura crítica (manteniendo fijos otros parámetros), las térmicas crecerían . Esto es cierto para muchos (¿todos?) Sistemas cerca de una transición de fase. Pero si las térmicas carecieran de su límite, el aire más frío que se hunde a su alrededor, ¡crecerían de todos modos! (Y disminución de la intensidad, a menos que la energía solar entrante sea lo suficientemente fuerte).
Entonces mi pregunta es: ¿ qué otros ejemplos hay de núcleos de transición de fase cuya dinámica de alguna manera impide su propio crecimiento ?
Respuestas (1)
mmesser314
Muchos cristales crecen una vez iniciados, pero pueden ser difíciles de iniciar.
El agua tiene una serie de propiedades inusuales. Una es que el hielo es menos denso que el agua. Supongamos que tienes agua pura. Las moléculas de agua vecinas se atraen entre sí cuando se separan. Cuando están demasiado cerca, se repelen. Puedes describir esto como una fuerza o como energía potencial. Hay una distancia donde la energía potencial es mínima.
En el agua líquida, las moléculas tienen una buena cantidad de energía cinética. El agua está continuamente formando pequeños grupos ordenados. Pero inmediatamente se separan.
Imagen de https://royalbcmuseum.bc.ca/exhibits/living-landscapes/thomp-ok/env-changes/water/introduction.html
Es similar en los cristales de hielo. Las moléculas encajan en una configuración diferente, más separada. Hay una energía potencial mínima diferente, más baja. Esta estructura es estable a bajas temperaturas. Pero a temperaturas más altas, la energía cinética de las moléculas es lo suficientemente fuerte como para romper estos enlaces.
El agua se congela en C. Pero es más denso en C. Entre estas temperaturas, pequeños grupos de moléculas forman estructuras parecidas al hielo que se rompen inmediatamente, así como estructuras parecidas al agua. Cerca C, hay suficientes estructuras momentáneas similares al hielo para hacer que el agua sea menos densa.
Y, sin embargo, el hielo no se forma a esta temperatura. De hecho, es posible superenfriar el agua, enfriarla por debajo C en su estado líquido. Una vez que comienza a formarse hielo en el agua súper enfriada, el agua se congela instantáneamente. Pero algo puede evitar que empiece a formar cristales de hielo.
Es energéticamente favorable que las moléculas de agua estén cerca unas de otras en una estructura similar al agua. También en una estructura similar al hielo. Pero menos favorable para una estructura similar al agua estar cerca de una estructura similar al hielo. Esta es una configuración de mayor energía.
Cuando el hielo a granel se encuentra con el agua a granel, casi todas las moléculas se encuentran en el interior del hielo o del agua. Relativamente pocos están justo en la superficie.
A la derecha en C, el hielo y el agua están en equilibrio. Tantas moléculas son arrancadas del hielo y se convierten en agua como congeladas del agua para convertirse en hielo. A una temperatura un poco más baja, es más probable que las moléculas de agua se congelen en el hielo. El hielo crece.
Pero, ¿y si no hubiera hielo y bajara la temperatura? Pequeñas estructuras parecidas al hielo se forman continuamente al azar. Estos contienen quizás docenas de moléculas en un sólido como el hielo. Pero en una pequeña esfera o gota similar, hay pocas moléculas en el interior y muchas en la superficie. La energía de tal gota es alta. Rápidamente se deshace en un líquido.
El hielo no puede comenzar a formarse hasta que se forme una gota que sea tan grande que la baja energía del interior más grande supere la alta energía de la superficie. Una vez que esto suceda, el sólido crecerá.
Esto puede suceder de varias maneras. Primero, la temperatura puede descender tanto que la forma sólida se ve fuertemente favorecida sobre la líquida. Incluso una pequeña gota puede superar la energía de la superficie.
En segundo lugar, el agua puede estar en contacto con una superficie. Incluso si la superficie no atrae fuertemente el agua, puede tener imperfecciones o impurezas donde la atracción es más fuerte. Una gota puede formarse allí sin una penalización de energía tan grande.
En tercer lugar, simplemente agitar el agua, por ejemplo sacudiéndola, puede ayudar a la formación momentánea de una gota más grande.
Este ejemplo ha hablado sobre el agua, que es una sustancia inusual. Pero muchas sustancias pueden tener un comportamiento similar al nuclear cristales.
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