En termodinámica , la ebullición explosiva o explosión de fases es un método mediante el cual un líquido metaestable sobrecalentado experimenta una transición explosiva de fase líquido-vapor a un estado bifásico estable debido a una nucleación masiva y homogénea de burbujas de vapor. Este concepto fue desarrollado por MM Martynyuk en 1976 [1] y luego desarrollado por Fucke y Seydel. [2]
La ebullición explosiva se puede describir mejor mediante un diagrama de fases pT. [3] La figura de la derecha muestra un diagrama de fases pT típico de una sustancia. La línea binodal o curva de coexistencia es un estado termodinámico en el que, a esa temperatura y presión específicas, pueden coexistir líquido y vapor. La línea espinodal de la derecha es el límite de inestabilidad absoluta de una solución hasta su descomposición en múltiples fases. Se muestra un proceso de calentamiento típico con tinta roja.
Si el proceso de calentamiento es relativamente lento, el líquido tiene tiempo suficiente para relajarse hasta alcanzar un estado de equilibrio y sigue la curva binodal, la relación de Clausius-Clapeyron sigue siendo válida. Durante este tiempo se produce una evaporación heterogénea en la sustancia y se forman burbujas a partir de los sitios de impurezas, superficies, límites de grano, etc. [4]
Por otro lado, si el proceso de calentamiento es lo suficientemente rápido como para que la sustancia no pueda alcanzar la curva binodal a través de la ebullición heterogénea, el líquido se sobrecalienta con su temperatura por encima del punto de ebullición a una presión dada. El sistema entonces se aleja de la curva binodal y continúa siguiendo la curva roja y así se acerca a la espinodal. Cerca de la temperatura crítica, las propiedades termodinámicas como el calor específico, la densidad varían rápidamente como se muestra en la figura de la derecha. La densidad y la entropía experimentan la mayor fluctuación. Durante este tiempo es posible tener una gran fluctuación de densidad en un volumen muy pequeño. Esta fluctuación de densidad da como resultado la nucleación de una burbuja. El proceso de nucleación de burbujas ocurre homogéneamente en todas partes de la sustancia. La tasa de nucleación de burbujas y la tasa de crecimiento de esferas de vapor aumentan exponencialmente más cerca de la temperatura crítica. La nucleación creciente evita que el sistema vaya a la espinodal. Cuando el radio de la burbuja alcanza el tamaño crítico, continúa expandiéndose y finalmente explota dando como resultado una mezcla de gas y gotitas que se denomina ebullición explosiva o explosión de fase.
Al principio, Martynyuk utilizó la ebullición explosiva para calcular la temperatura crítica de los metales. Utilizó una resistencia eléctrica para calentar un alambre de metal. Más tarde, se descubrió que la ebullición explosiva se producía al utilizar la ablación ultrarrápida con láser de femtosegundos. Aunque este tipo de ebullición explosiva debería producirse mediante cualquier mecanismo por el que la temperatura del líquido se eleve rápidamente hasta cerca de la temperatura crítica de la sustancia.