Estructura en todas las escalas – Punto Crítico

Que es el punto crítico?

Un fluido crítico es cualquier substancia a una presión y temperatura determinadas, conocidas como el punto crítico. El punto crítico es la temperatura más alta a la que el líquido y el gas (de una substancia pura) pueden coexistir y corresponde a una temperatura diferente para cada substancia. La experiencia del día a día no nos da ninguna pista sobre la naturaleza del punto crítico, porque la temperatura ambiente está muy por encima de la temperatura crítica del azoto (-147 ºC) y mucho más debajo de la temperatura crítica del agua (374 ºC).

Imagínese que calentamos un recipiente cerrado, con alrededor de un tercio de agua y sin aire. El agua líquida se expande al calentarse, pero un poco se evapora hacia el espacio ocupado por el vapor, arriba del líquido. La densidad del líquido disminuye y la del vapor aumenta hasta que, a temperatura crítica, las densidades del líquido y del gas se igualan. En este punto, el líquido y el gas son indistinguibles en todos los aspectos: la superficie (menisco) que los separa desaparece y el calor latente se anula.

Opalescencia crítica

Propiedades del punto crítico

Cerca del punto crítico hay cambios espectaculares en las propiedades físicas del sistema:

• Las fluctuaciones en la densidad, causadas por la agregación de grupos de moléculas al azar, se amplifican y dan lugar a la dispersión de la luz incidente. Fluidos por lo general transparentes, como el xénon o el agua, quedan con apariencia lechosa.
• El fluido se hace extremadamente «suave» y se comprime bajo la influencia de su propio peso. Por ejemplo la minúscula presión de 4 mm de Hg provoca una compresión de 10% en el xénon. En contrapartida es necesaria una altura de 1 Km para obtener una variación semejante en la densidad atmosférica.
• El fluido se hace extremadamente lento desde el punto de vista térmico –el transporte de calor a lo largo de 1 cm de xenón cerca del punto crítico puede demorar días, mientras que para el aire ambiente demora apenas 1s.

Cera del punto crítico la difusión mutua entre las dos fases prácticamente cesa, las ondas sonoras son fuertemente atenuadas en el espacio de una pequeña longitud de onda, un haz de láser se dispersa con fuerza (ver página siguiente), la capacidad calorífica y la conductividad térmica divergen y son necesarias horas, o aún días, para alcanzar el equilibrio térmico después de una perturbación como esta. Sin embargo el aspecto fundamental, es  el más sorprendente de los sistemas críticos, es su universalidad: la estructura microscópica se convierte en irrelevante y sistemas diferentes tienen las mismas propiedades críticas.

De hecho, se verificó que substancias diferentes tienen exactamente las mismas características en el punto crítico. Así, el estudio de una substancia en el punto crítico permite obtener información para todas las demás substancias con as mismas características (el xenón, por ejemplo, es elegido porque su temperatura y densidad críticas son fácilmente accesibles).

Como se estudia el punto crítico

La Termodinámica no describe las propiedades de los sistemas en el punto crítico, pues  su comportamiento es determinado por las fluctuaciones y requiere, una descripción microscópica. Fue solamente en los años 60 y 70 del siglo pasado que ocurrieron avances fundamentales basados en Física Estadística. Estos permitieron  nuestra comprensión de las transiciones de fase, de los fenómenos críticos y dieron origen a dos nuevos conceptos: universalidad e invariancia de escala.