En termodinámica , la ebullición explosiva o explosión de fase es un método mediante el cual un líquido metaestable sobrecalentado sufre una transición explosiva de fase líquido-vapor a un estado estable de dos fases debido a una nucleación masiva y homogénea de burbujas de vapor. Este concepto fue iniciado por MM Martynyuk en 1976 [1] y luego avanzado 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 fase pT típico de una sustancia. La línea binodal o curva de coexistencia es un estado termodinámico donde a esa temperatura y presión específicas, el líquido y el vapor pueden coexistir. La línea espinodal de la derecha es el límite de inestabilidad absoluta de una solución a la 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 un estado de equilibrio y el líquido sigue la curva binodal, la relación de Clausius-Clapeyron sigue siendo válida. Durante este tiempo se produce una evaporación heterogénea en la sustancia con burbujas que se nuclean en sitios de impurezas, superficies, límites de granos, 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 mediante ebullición heterogénea, el líquido se sobrecalienta con una temperatura superior al punto de ebullición a una presión determinada. Luego, el sistema se aleja del binodal y continúa siguiendo la curva roja y, por lo tanto, se acerca al espinodal. Cerca de las propiedades termodinámicas de temperatura crítica, como el calor específico, la densidad varía rápidamente como se muestra en la figura de la derecha. La densidad y la entropía sufren las mayores fluctuaciones. 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 se produce de forma homogénea en todas partes de la sustancia. La tasa de nucleación de burbujas y la tasa de crecimiento de la esfera de vapor aumentan exponencialmente más cerca de la temperatura crítica. La nucleación creciente impide que el sistema pase al espinodal. Cuando el radio de la burbuja alcanza el tamaño crítico, continúa expandiéndose y eventualmente explota, dando como resultado una mezcla de gas y gotas que se denomina ebullición explosiva o explosión de fase.
Al principio, Martynyuk utilizó la ebullición explosiva para calcular la temperatura crítica de los metales. Usó resistencia eléctrica para calentar alambre de metal. Posteriormente se descubrió que se producía una ebullición explosiva al utilizar una ablación con láser de femtosegundo ultrarrápida. Aunque este tipo de ebullición explosiva debería ocurrir mediante cualquier mecanismo mediante el cual la temperatura del líquido se eleve rápidamente hasta acercarse a la temperatura crítica de la sustancia.