Em física, química e biologia, uma transição de fase ou mudança de fase é o processo físico de passagem de um meio de um estado a outro. O termo costuma designar as mudanças entre os estados físicos básicos da matéria, em especial sólido, líquido e gasoso. O plasma também é frequentemente tratado como estado da matéria. A ionização gradual de um gás, porém, não é, em geral, uma transição de fase termodinâmica do mesmo tipo que a fusão ou a vaporização. Uma fase de um sistema termodinâmico caracteriza-se por propriedades físicas uniformes. Durante uma transição de fase, determinadas propriedades do meio se alteram em resposta à mudança das condições externas, como a temperatura ou a pressão. Essa alteração pode ser descontínua. Um líquido, por exemplo, pode transformar-se em gás ao ser aquecido até seu ponto de ebulição, com uma mudança abrupta de volume. As condições externas em que ocorre a transformação definem o ponto de transição de fase.

Tipos Estados da matéria

miniatura|upright=1.2|Diagrama de fase simplificado da água, que indica em quais combinações de temperatura e pressão o gelo, a água líquida ou o vapor de água são mais estáveis.

As transições de fase frequentemente correspondem à transformação de uma substância de um dos estados da matéria em outro. No ponto de transição de uma substância pura, como o ponto de ebulição, as duas fases envolvidas, nesse caso o líquido e o vapor, têm a mesma energia livre de Gibbs por mol e podem coexistir em equilíbrio. À mesma pressão, abaixo do ponto de ebulição, a fase líquida é a mais estável das duas. Acima dele, a fase gasosa é a mais estável.

As transições usuais entre as fases sólida, líquida e gasosa de um único componente, provocadas por mudanças de temperatura e/ou pressão, são apresentadas na tabela a seguir:

A tabela também reúne a ionização e a recombinação entre gás e plasma. Esses nomes descrevem a conversão entre os dois estados, mas a ionização gradual de um gás não é, em geral, uma transição de fase termodinâmica comparável às fronteiras entre sólido, líquido e gás.

Para uma substância de um único componente, um diagrama de fase pode representar a fase mais estável em diferentes temperaturas e pressões. Em geral, esse diagrama descreve estados de equilíbrio. Uma transição de fase costuma ocorrer quando a pressão ou a temperatura muda e o sistema passa de uma região do diagrama a outra, como na transformação de água líquida em gelo abaixo do ponto de congelamento. Entretanto, é possível atravessar uma fronteira de coexistência sem que a transformação ocorra imediatamente, caso a formação da nova fase encontre uma barreira de nucleação. O estado resultante é metaestável, menos estável do que a fase de equilíbrio, mas não instável a pequenas perturbações. Isso ocorre, por exemplo, no superaquecimento e na sobrefusão ou super-resfriamento. Os estados metaestáveis não aparecem nos diagramas de fase de equilíbrio usuais.

No ponto triplo, três fases de uma substância pura coexistem em equilíbrio numa combinação específica de temperatura e pressão. No ponto crítico líquido-gás, termina a linha de coexistência e desaparece a distinção entre líquido e vapor. Acima dele, pode-se passar continuamente entre estados de maior densidade e menor densidade na região de fluido supercrítico, sem atravessar uma fronteira de primeira ordem.

Estruturais

miniatura|250px|Diagrama de fase dos alótropos do ferro, com diferentes estruturas cristalinas, incluindo a ferrita (ferro α) e a austenita (ferro γ).

Uma transição de fase também pode ocorrer quando um sólido muda de estrutura sem alterar sua composição química. Nos elementos, esse fenômeno é denominado alotropia. Nos compostos, polimorfismo. A passagem de uma estrutura cristalina a outra, de um sólido cristalino a um sólido amorfo, ou de uma estrutura amorfa a outra, os poliamorfos, são exemplos de transições de fase entre sólidos.

Na ciência dos materiais, as transformações em sólidos também podem ser classificadas pelo mecanismo. Nas transformações difusivas, a nova fase se forma com transporte de massa, como em certas transformações eutetoides e na precipitação a partir de soluções sólidas supersaturadas. Nas transformações sem difusão, não há difusão de longo alcance e o rearranjo atômico ocorre de forma cooperativa. A transformação martensítica é uma das muitas transformações de fase do aço-carbono e serve de modelo para as transformações de fase deslocativas. Outro exemplo são as transições ordem-desordem, como as observadas em aluminetos de titânio α.

Assim como nas mudanças de estado físico, as transições estruturais podem envolver a passagem de uma fase metaestável a uma fase de equilíbrio. Um polimorfo metaestável que se forme rapidamente por apresentar menor energia superficial pode transformar-se na fase de equilíbrio quando recebe energia térmica suficiente para superar a barreira energética.

Muitos materiais microporosos dinâmicos ou flexíveis apresentam transições estruturais entre formas fechadas e abertas. As estruturas metalorgânicas, em particular, têm sido amplamente estudadas por esse comportamento. O conjunto de fases possíveis pode conter fases intermediárias. Outros exemplos mostram que moléculas hóspedes podem estabilizar fases específicas, de modo que a configuração cristalina depende da composição da atmosfera circundante.

Magnéticas

miniatura|250px|Diagrama de fase de diferentes estruturas magnéticas na mesma estrutura cristalina do siliceto de manganês (MnSi).

As transições de fase também podem corresponder a mudanças entre diferentes formas de ordenamento magnético. A mais conhecida é a transição entre as fases ferromagnética e paramagnética de materiais magnéticos, que ocorre na chamada temperatura de Curie. Outro exemplo é a transição entre estruturas magnéticas com ordenamentos distintos, comensuráveis ou incomensuráveis, como no antimoneto de cério. O modelo de Ising oferece uma descrição simplificada das transições de fase magnéticas.

Eletrônicas e ferroelétricas miniatura|250px|Imagem de microscopia de força piezorresposta mostrando domínios ferroelétricos de 180°. Domínios vizinhos apresentam polarizações em sentidos opostos, uma manifestação espacial do parâmetro de ordem ferroelétrico.

As transições metal-isolante separam estados com propriedades de transporte elétrico muito diferentes. Em alguns materiais, a resistividade varia por muitas ordens de grandeza ao atravessar a transição. Parte desses fenômenos está ligada às correlações entre elétrons, como nas transições de Mott.

Em materiais ferroelétricos, uma transição pode separar uma fase com polarização elétrica espontânea de uma fase paraelétrica. A polarização pode funcionar como parâmetro de ordem, e a temperatura de transição depende das condições mecânicas, elétricas e estruturais do material.

Misturas miniatura|250px|Diagrama de fase binário dos compostos mais estáveis de titânio e níquel em diferentes proporções de mistura e temperaturas.

As transições de fase que envolvem soluções e misturas são mais complicadas do que aquelas de uma única substância. Enquanto substâncias quimicamente puras apresentam, a uma dada pressão, um ponto de fusão definido entre as fases sólida e líquida, uma mistura pode apresentar fusão congruente, sem mudança de composição, ou temperaturas liquidus e solidus distintas, que delimitam uma faixa de temperaturas em que sólido e líquido coexistem em equilíbrio. Isso ocorre com frequência em soluções sólidas cujos componentes são isoestruturais.

Há também transformações que envolvem três fases. Na transformação eutética, um líquido monofásico de dois componentes é resfriado e transforma-se em duas fases sólidas. O processo análogo que parte de um sólido, em vez de um líquido, é chamado de transformação eutetoide. Na transformação peritética, considerada no sentido do aquecimento, um sólido monofásico de dois componentes transforma-se em uma fase sólida e outra líquida. Uma reação peritetoide é análoga à peritética, mas envolve apenas fases sólidas. Na reação monotética, um líquido transforma-se em um sólido e um segundo líquido. Os dois líquidos apresentam uma lacuna de miscibilidade.

A separação em mais de uma fase pode ocorrer por decomposição espinodal, na qual uma fase inicialmente homogênea é resfriada e se separa em regiões de duas composições diferentes.

Também podem existir misturas fora do equilíbrio, como ocorre na supersaturação.

Outros exemplos miniatura|Um pequeno fragmento de argônio sólido em rápida fusão ilustra duas mudanças de fase simultâneas: a passagem do sólido ao líquido e a condensação do vapor de água do ar, que forma a névoa branca.

Outras mudanças de fase incluem:

A transição para uma mesofase intermediária entre sólido e líquido, como as fases de cristal líquido. As mudanças da geometria de adsorção em função do recobrimento e da temperatura, como no caso do hidrogênio sobre a face (110) do ferro. O surgimento da supercondutividade em determinados metais e cerâmicas quando resfriados abaixo de uma temperatura crítica. O surgimento de propriedades de metamateriais em meios fotônicos artificiais à medida que seus parâmetros variam.Weidong Zhou e Shanhui Fan, eds. Photonic Crystal Metasurface Optoelectronics. Semiconductors and Semimetals, vol. 100. Academic Press, 2019. ISBN 978-0-12-817543-9. A condensação quântica de fluidos bosônicos, ou condensação de Bose-Einstein. A transição para a superfluidez no hélio líquido está relacionada a esse fenômeno. A passagem entre a matéria hadrônica e o plasma de quarks e glúons estudada pela cromodinâmica quântica. Para massas físicas dos quarks e potencial químico bariônico pequeno, simulações de QCD na rede encontram um crossover entre os regimes hadrônico e de plasma de quarks e glúons, e não uma transição descontínua de primeira ordem. A quebra de simetria nas leis da física durante o resfriamento do Universo primordial. Em conjuntos aleatórios de problemas k-SAT, a razão entre o número de cláusulas e o número de variáveis pode atuar como parâmetro de controle. Ao aumentar essa densidade, surge um limiar entre regiões em que as instâncias são tipicamente satisfatíveis e insatisfatíveis. Instâncias próximas ao limiar também podem exigir maior esforço computacional. Essa analogia com transições de fase é usada no estudo da complexidade computacional e da física estatística. O fracionamento isotópico associado a uma transição de fase, no qual se altera a proporção entre isótopos leves e pesados nas moléculas envolvidas. Quando o vapor de água se condensa em condições de fracionamento de equilíbrio, os isótopos mais pesados (18O e 2H) ficam relativamente enriquecidos na fase líquida, enquanto os mais leves (16O e 1H) tendem a permanecer na fase de vapor.

Na descrição termodinâmica de equilíbrio, uma transição de fase corresponde a uma não analiticidade da energia livre termodinâmica em função de alguma variável de controle. No sentido matemático estrito, essas singularidades surgem no limite termodinâmico. Sistemas finitos apresentam arredondamentos das singularidades, embora possam exibir mudanças muito abruptas. O conceito também se aplica a situações em que a temperatura não é o parâmetro de controle, como as transições de fase quânticas, e pode ser estendido a sistemas fora do equilíbrio e a transições topológicas ou estruturais. Nesses casos, outros parâmetros assumem o papel de controle. Na percolação em redes, por exemplo, esse papel cabe à probabilidade de conexão.

Classificações Classificação de Ehrenfest miniatura|centro|600px|Transições de fase de primeira e segunda ordem na classificação de Ehrenfest.