La separación de fases es la creación de dos fases distintas a partir de una única mezcla homogénea . [1] El tipo más común de separación de fases es entre dos líquidos inmiscibles , como el aceite y el agua. Este tipo de separación de fases se conoce como equilibrio líquido-líquido. Los coloides se forman por separación de fases, aunque no todas las separaciones de fases forman coloides; por ejemplo, el aceite y el agua pueden formar capas separadas por gravedad en lugar de permanecer como gotitas microscópicas en suspensión.
Una forma común de separación de fases espontánea se denomina descomposición espinodal ; se describe mediante la ecuación de Cahn-Hilliard . Las regiones de un diagrama de fases en las que se produce la separación de fases se denominan brechas de miscibilidad . Hay dos curvas límite que merecen la pena destacar: la curva de coexistencia binodal y la curva espinodal . En un lado de la binodal, las mezclas son absolutamente estables. Entre la binodal y la espinodal, las mezclas pueden ser metaestables : permanecer mezcladas (o no mezcladas) en ausencia de alguna perturbación importante. La región más allá de la curva espinodal es absolutamente inestable y (si se parte de un estado mixto) se separará en fases espontáneamente.
La temperatura crítica superior de la solución (UCST) y la temperatura crítica inferior de la solución (LCST) son dos temperaturas críticas , por encima o por debajo de las cuales los componentes de una mezcla son miscibles en todas las proporciones. Es raro que los sistemas tengan ambas, pero existen algunos: el sistema nicotina -agua tiene una LCST de 61 °C, y también una UCST de 210 °C a presiones lo suficientemente altas como para que exista agua líquida a esa temperatura. Por lo tanto, los componentes son miscibles en todas las proporciones por debajo de 61 °C y por encima de 210 °C (a alta presión), y parcialmente miscibles en el intervalo de 61 a 210 °C. [2] [3]
La mezcla está gobernada por la energía libre de Gibbs , y la separación de fases o la mezcla se producen en el caso en que se reduce la energía libre de Gibbs. La energía libre se puede descomponer en dos partes: , con la entalpía , la temperatura y la entropía . Por lo tanto, el cambio de la energía libre en la mezcla es la suma de la entalpía de mezcla y la entropía de mezcla . La entalpía de mezcla es cero para mezclas ideales , y las mezclas ideales son suficientes para describir muchas soluciones comunes. Por lo tanto, en muchos casos, la mezcla (o separación de fases) está impulsada principalmente por la entropía de la mezcla. Generalmente, la entropía aumentará siempre que una partícula (un átomo, una molécula) tenga un espacio más grande para explorar; y, por lo tanto, la entropía de la mezcla es generalmente positiva: los componentes de la mezcla pueden aumentar su entropía al compartir un volumen común más grande.
La separación de fases se produce por varios procesos distintos. En un caso, la entalpía de mezcla es positiva y la temperatura es baja: el aumento de entropía es insuficiente para reducir la energía libre. En otro caso, considerablemente más raro, la entropía de mezcla es " desfavorable ", es decir, negativa. En este caso, incluso si el cambio de entalpía es negativo, se producirá la separación de fases a menos que la temperatura sea lo suficientemente baja. Es este segundo caso el que da lugar a la idea de la temperatura crítica de solución más baja.
Una mezcla de dos isótopos de helio ( helio-3 y helio-4 ) en un cierto rango de temperaturas y concentraciones se separa en partes. La mezcla inicial de los dos isótopos se separa espontáneamente en regiones ricas en helio y rica en helio. [4] La separación de fases también existe en sistemas de gas ultrafrío . [5] Se ha demostrado experimentalmente en un caso de gas Fermi ultrafrío de dos componentes. [6] [7] La separación de fases puede competir con otros fenómenos como la formación de redes de vórtices o una exótica fase Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov . [8]
