La línea Frenkel es una línea de cambio [ ambigua ] de termodinámica, dinámica y estructura de fluidos. Por debajo de la línea de Frenkel los fluidos son "rígidos" y "parecidos a sólidos", mientras que por encima de ella, los fluidos son "blandos" y "parecidos a gases".
Descripción general
En la literatura se encuentran presentes dos tipos de enfoques del comportamiento de los líquidos. El más común se basa en un modelo de van der Waals . Trata los líquidos como gases densos sin estructura. Aunque este enfoque permite la explicación de muchas características principales de los fluidos, en particular la transición de fase líquido-gas , no explica otras cuestiones importantes como, por ejemplo, la existencia en líquidos de excitaciones colectivas transversales como los fonones .
Yakov Frenkel propuso otro enfoque de las propiedades de los fluidos . [1] Se basa en la suposición de que a temperaturas moderadas , las partículas de líquido se comportan de manera similar a un cristal, es decir , las partículas muestran movimientos oscilatorios. Sin embargo, mientras que en los cristales oscilan alrededor de sus nodos, en los líquidos, después de varios períodos, las partículas cambian sus nodos. Este enfoque se basa en la postulación de cierta similitud entre cristales y líquidos, lo que proporciona información sobre muchas propiedades importantes de estos últimos: excitaciones colectivas transversales, gran capacidad calorífica , etc.
De la discusión anterior, se puede ver que el comportamiento microscópico de partículas de fluidos de temperatura moderada y alta es cualitativamente diferente. Si se calienta un fluido desde una temperatura cercana al punto de fusión hasta una temperatura alta, se produce un cruce del régimen de tipo sólido al de gas. La línea de este crossover se denominó línea Frenkel, en honor a Yakov Frenkel.
En la literatura se proponen varios métodos para localizar la línea de Frenkel. [2] [3] El criterio exacto que define la línea de Frenkel es el que se basa en una comparación de tiempos característicos en fluidos. Se puede definir un 'tiempo de salto' a través de
- ,
dónde es el tamaño de la partícula y es el coeficiente de difusión . Este es el tiempo necesario para que una partícula se mueva una distancia comparable a su propio tamaño. El segundo tiempo característico corresponde al período más corto de oscilaciones transversales de partículas dentro del fluido,. Cuando estas dos escalas de tiempo son aproximadamente iguales, no se puede distinguir entre las oscilaciones de las partículas y sus saltos a otra posición. Así, el criterio para la línea de Frenkel viene dado por.
Existen varios criterios aproximados para ubicar la línea de Frenkel en el plano de presión-temperatura . [2] [3] [4] Uno de estos criterios se basa en la función de autocorrelación de velocidad (vacf): debajo de la línea de Frenkel, vacf muestra un comportamiento oscilatorio, mientras que por encima de ella, vacf decae monótonamente a cero. El segundo criterio se basa en el hecho de que a temperaturas moderadas, los líquidos pueden sufrir excitaciones transversales, que desaparecen con el calentamiento. Otro criterio se basa en mediciones de capacidad calorífica isocórica . La capacidad calorífica isocórica por partícula de un líquido monoatómico cerca de la línea de fusión es cercana a (dónde es la constante de Boltzmann ). La contribución a la capacidad calorífica debido a la parte potencial de las excitaciones transversales es. Por lo tanto, en la línea de Frenkel, donde desaparecen las excitaciones transversales, la capacidad calorífica isocórica por partícula debe ser, una predicción directa de la teoría fonónica de la termodinámica de líquidos. [5] [6] [7]
Cruzar la línea de Frenkel también conduce a algunos cruces estructurales en los fluidos. [8] [9] Actualmente líneas de Frenkel de varios líquidos idealizados , como Lennard-Jones y esferas blandas , [2] [3] [4] así como modelos realistas como hierro líquido , [10] hidrógeno , [11] agua , [12] y dióxido de carbono , [13] han sido reportados en la literatura.
Ver también
Referencias
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