Metastabilitate

Metastabilitatea este o condiție de echilibru care nu corespunde unui minim absolut de energie care caracterizează un sistem stabil.

Un sistem metastabil persistă într-o stare de echilibru până când o cantitate suficientă de energie este furnizată sistemului pentru a-l aduce într-o stare nouă, fie metastabilă, fie stabilă.

Caracteristici

Condiția de metastabilitate corespunde unui minim relativ (local) de energie, în timp ce stabilitatea la un minim absolut (global) de energie și instabilitate la toate celelalte puncte staționare (maxime, inflexiuni, șei) de energie.

Diferența dintre echilibrul metastabil și stabil este că în a doua stabilitatea se menține în timp, chiar dacă sistemul este supus unor solicitări puternice. Metastabilitatea poate fi, de asemenea, menținută, dar dacă sistemul suferă solicitări suficient de mari, starea de echilibru metastabil se pierde în favoarea unei alte condiții de echilibru (metastabil sau stabil). În echilibru instabil, stabilitatea nu este menținută în timp, deoarece chiar și un stres minim aduce sistemul într-o altă condiție de echilibru.

Starea echilibrului metastabil se mai numește cvasi-stabil, nu foarte stabil, slab stabil sau local stabil.

Exemplu mecanic

Graficul descrie intuitiv stările de echilibru stabil, metastabil și instabil al unei marmuri plasate ideal pe o suprafață ondulată. Observăm că atunci când marmura se află pe crestele 2 și 4, o împingere imperceptibilă este suficientă pentru a o face să cadă fie la dreapta, fie la stânga și, prin urmare, se află într-o stare de echilibru instabil. Când se află în valea 1, se află într-o stare de echilibru numită metastabilă, deoarece dacă furnizăm energie mingii prin împingere, aceasta va reveni la poziția sa de echilibru, dar dacă forța este suficient de energică va depăși creasta 2 și ajunge într-o stare de nou echilibru la o energie mai mică, adică în vale 3. Marmura din vale 3 va avea din nou o stare de echilibru metastabil, deoarece și ea este relativ stabilă, dar ar putea ajunge în valea 5 excluzând astfel posibilitatea revenirii la starea anterioară de echilibru energetic superior. Marmura din valea 5 se află în schimb în condiții de echilibru stabil, deoarece nu poate cădea spre stări de energie inferioară.

Conceptul de echilibru metastabil este adesea explicat printr-o analogie mecanică. Să presupunem că aveți o marmură și o suprafață ondulată, formată din goluri și creste și să presupunem că crestele au o zonă în care marmura este lăsată să se oprească, adică o zonă de minim local sau „minim mic”. Așezând marmura pe această suprafață ondulată se va deplasa până când ajunge la o stare de echilibru. Pot apărea două cazuri: marmura se oprește în jgheaburi sau rămâne echilibrată pe una dintre creste. În primul caz vorbim de echilibru stabil, deoarece punctul de oprire al mingii corespunde unui punct minim de altitudine și, prin urmare, al energiei potențiale . Dacă sistemul este deranjat prin furnizarea unei cantități mici de energie din exterior (de exemplu prin atingerea mingii), aceasta tinde să revină la starea inițială. În schimb, în cazul în care marmura rămâne în echilibru pe o creastă, furnizând o cantitate (nu prea mică) de energie sistemului, aceasta evoluează ireversibil . Marmura cade și se mută într-o stare diferită de echilibru. Această a doua condiție se numește echilibru metastabil.

Metalurgie

În metalurgie, termenul metastabil se referă adesea la soluții solide caracterizate prin stabilitate ridicată, cum ar fi oțelurile ( aliaje fier- carbon ). Metastabilitatea unei soluții solide caracterizează structurile care pot rămâne neschimbate milioane de ani chiar și prin furnizarea sistemului cu o cantitate mare de energie. Oțelurile la temperatura camerei au o structură metastabilă compusă din cementită și fier numite perlit . Prin urmare, metastabilitatea nu trebuie privită, în acest domeniu, ca un concept de „echilibru instabil”, ci ca o condiție de neechilibru care poate exista și rămâne stabilă chiar și în condiții de stimuli de mediu mai mult sau mai puțin semnificativi.