Calor específico bajo tensión mecánica uniaxial
- Autores: María del Carmen Gallardo Cruz
- Directores de la Tesis: Jaime del Cerro González (dir. tes.), Justo Jiménez Fernández (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 1996
- Idioma: español
- Número de páginas: 118
- Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Zamora Carranza (presid.), Saturio Ramos Vicente (secret.), Julio Gonzalo Gonzalez (voc.), Angel López Echarri (voc.), Basilio Jiménez Díaz (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
1. Se ha construido un nuevo sistema experimental especialmente diseñado para el estudio de las transiciones de fase de primer o de segundo orden en materiales ferroelásticos-ferroeléctricos con la posibilidad de aplicar sobre las muestras un campo de tensiones externo, un campo eléctrico o bien ambos simultáneamente. El estudio se realiza a partir de la medida del calor específico y del calo latente usando calorimetría de flujo.
El dispositivo experimental y los medidores de flujo tienen geometría y características especiales que permite que sea el propio sensor de medida de flujo de calor el que aplica la tensión uniaxial sobre el cristal con lo que se evitan las perdidas caloríficas inherentes a la utilización de cualquier otro mecanismo de aplicación de la tensión mecánica.
El rango de temperatura de trabajo es desde temperatura ambiente hasta 75K. El control riguroso de la temperatura y la estabilidad térmica del sistema permiten realizar las medidas experimentales en régimen cuasiestacionario de enfriamiento o calentamiento, con lo que se obtiene: información detallada del comportamiento del calor específico en los alrededores de la transición de fase y un elevado número de datos en un intervalo de temperatura pequeño lo que permite el cálculo preciso del exceso de entropía por integración de los valores de calor específico.
La fuerza electromotriz desarrollada por los fluxímetros permite detectar cuando se produce un efecto disipativo en la muestra o una transición de fase de primer orden. En este último caso es posible detectar los valores de calor específico afectados por el calor de transición y eliminarlos de la medida, obteniendo sólo calor específico en condiciones de equilibrio, por lo que consideramos este sistema experimental muy adecuado para el estudio de transiciones de fase de primer orden.
2. Utilizando este nuevo sistema experimental se ha estudiado la transición de fase del cristal dihidrógeno de potasio deuterado (DKDP).
El cristal DKDP con un grado de deuteración del 80% presenta una transición de fase de primer orden a 207,93 K. Este cambio de fases se produce en equilibrio de coexistencia de fases, desarrollando un calor latente 1,28 J, cuando se enfría lentamente de la fase paraeléctrica a la ferroelástica-ferroeléctrica.
En régimen cuasiestático de calentamiento desde la fase ferroeléctrica-ferroelástica, el cambio de fases se produce bruscamente pasando por un estado metaestable sobrecalentado aún ferroeléctrico, enfriándose posteriormente para dar la temperatura de transición a la misma temperatura que enfriando.
El calor específico obtenido experimentalmente cada 0,03 K, presenta alrededor de la temperatura de transición una serie de máximo y mínimos anómalos que hemos demostrado que son debidos al calor de transición y que no corresponden al calor específico de equilibrio de DKDP.
El calor específico de equilibrio en régimen de enfriamiento presenta una forma típica de una transición de fase de primer orden. A partir de 4K por debajo de la temperatura de transición se cumple la teoría de landau con un potencial 2-4-6 con el término en Q2 negativo como corresponde a una transición de fase de primer orden. Cerca de la temperatura de transición (hasta 1K) se obtiene una dependencia logarítmica del calor específico con la temperatura.
La forma de la curva en régimen de calentamiento presenta una “cola” mayor por encima y por debajo de la transición que la obtenida enfriando.
Hemos aplicado una tensión uniaxial de 5 kg/cm2 en la dirección cristaolográfica, poniendo de manifiesto que esta tensión no afecta al calor específico de este cristal.
3. Se ha medido por primera vez la influencia de una tensión mecánica uniaxial sobre el calor específico de un cristal, en este caso el cristal ferroelástico titanato de estroncio.
Los valores absolutos de calor específico obtenidos cada 0,02K y sin tensión uniaxial aplicada coinciden con los encontrados en la bibliografía así como la anchura y el incremento de calor específico a la temperatura de transición.
Similarmente a como ocurre en un cristal ferroeléctrico cuando se le aplica un campo eléctrico, al aplicar la tensión uniaxial en la dirección cristalografía la anchura de la transición aumenta.
Se ha calculado el incremento de entropía de esta transición de fase para las diferentes tensiones uniaxiales aplicadas, mediante integración de los datos de calor específico. A partir de la relación cuadrática entre el exceso de entropía y el parámetro de orden dada por la teoría de Landau se ha calculado la variación con la temperatura del exponente crítico de dicho parámetro de orden. Una vez justificada la validez de dicha relación, hemos puesto de manifiesto que el exponente crítico del parámetro de orden en la transición de fase del titanato de estroncio aumenta desde 0,35 ± 0,02 para un cristal libre de tensiones hasta 0,5 para una tensión uniaxial aplicada de 5 bar. Este hecho significa: que sin tensión uniaxial aplicada la transición de fase del cristal titanato de estroncio puede ser descrita mediante el modelo de Heisenberg en tres dimensiones, y que pequeñas tensiones uniaxiales aplicadas en la dirección y velocidades de enfriamiento y calentamiento extremadamente lentas, llevan a la transición de fase del SrTiO3 a un comportamiento de teoría de campo medio.
Esto se ha interpretado teniendo en cuenta los siguientes hechos: la transición de fase del SrTiO3 está esencialmente relacionada con la rotación del grupo octaédrico TiO6; durante la rotación se produce una deformación de la red de cúbica a tetragonal, siendo el eje de giro el eje tretragonal. Por tanto, sin tensión uniaxial aplicada al eje de giro puede ser cualquiera de los tres ejes cristalográficos equivalentes entre sí en una red cúbica y el parámetro de orden puede considerarse tridimensional. Al aplicar la tensión uniaxial en la dirección, el eje tetragonal tiende a orientarse en la dirección perpendicular, por lo que la dimensionalidad del parámetro de orden pueden considerarse uno, comportándose el cristal como un ferroelástico impropio cuyo exponente crítico es 0,5.
