Diagrama de fase

En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase o diagrama de estados de la materia, a la representación entre diferentes estados de la materia, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo.[1] Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes, se suele denominar diagrama de cambio de estado.

Modelo del diagrama de fases típico de una sustancia de único componente en función de la temperatura y la presión. La línea roja muestra la interfase sólido-gas. La línea verde muestra la forma habitual de la interfase sólido-líquido, mientras que la alineación de puntos verdes muestra el comportamiento anómalo de dicha interfase para el agua (hielo-agua líquida). La línea azul muestra la interfase líquido-gas.

Los diagramas de equilibrio pueden tener diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a distintas temperaturas. Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material está en fase líquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales están en estado sólido.

Resumen

Los componentes comunes de un diagrama de fase son "líneas de equilibrio" o "límites de fase", que se refieren a líneas que marcan las condiciones bajo las cuales múltiples fases pueden coexistir en equilibrio. Las transiciones de fase ocurren a lo largo de las líneas de equilibrio. Las fases metaestables no se muestran en los diagramas de fase ya que, a pesar de su ocurrencia común, no son fases de equilibrio.

Los puntos triples son puntos en los diagramas de fase donde las líneas de equilibrio se cruzan. Los puntos triples marcan las condiciones en las que pueden coexistir tres fases diferentes. Por ejemplo, el diagrama de fases del agua tiene un punto triple que corresponde a la temperatura y presión únicas a las que el agua sólida, líquida y gaseosa pueden coexistir en un equilibrio estable. (273,16 K y una presión de vapor parcial de 611,57 Pa).

El solidus es la temperatura por debajo de la cual la sustancia es estable en estado sólido. El liquidus es la temperatura por encima de la cual la sustancia es estable en estado líquido. Puede haber una brecha entre solidus y liquidus; dentro del espacio, la sustancia consiste en una mezcla de cristales y líquido (como una "lechada").[2]

Los fluidos de trabajo a menudo se clasifican según la forma de su diagrama de fase.

Diferentes diagramas de equilibrio

Estos son todos aquellos a los que los diagramas de equilibrio más sencillos son los de presión-temperatura esta es una sustancia pura, como puede ser el del agua. En el eje de ordenadas se coloca la presión y en el de abscisas la temperatura. Generalmente, para una presión y temperatura dadas, el cuerpo presenta una única fase excepto en las siguientes zonas:

  • Punto triple: En este punto del diagrama coexisten los estados sólido, líquido y gaseoso. Estos puntos tienen cierto interés, ya que representan un invariante y por lo tanto se pueden utilizar para calibrar termómetros.

Dos metales (A, B) a temperaturas superiores a sus respectivos puntos de fusión (TA, TB) se encuentran en estado líquido pudiéndose disolver y conformar así una fase única líquida. Esto quiere decir que no podemos establecer diferencias de comportamiento u observación entre las distintas partes del líquido y que los metales en las proporciones mezcladas tienen la propiedad de miscibilidad. Si la mezcla líquida, XA + XB, la sometemos a un proceso de solidificación, mediante enfriamiento, llegamos a obtener el producto que se denomina aleación de los metales A y B.

Es conocido que las aleaciones mejoran las características de los metales puros. Realmente debería decirse que introducen variables que diferencian el comportamiento de los metales puros que las componen, porque en algunas circunstancias pueden perjudicar sus propiedades. Obviamente, conformar una aleación es uno de los medios más primitivos que la ingeniería ha dispuesto para actuar sobre las propiedades de los metales puros, incluso históricamente la aleación es predecesora como lo justifica el bronce, Edad del bronce

En ciencia de materiales se utilizan ampliamente los diagramas de fase binarios, mientras que en termodinámica se emplean sobre todo los diagramas de fase de una sustancia pura.

Diagrama de fase de una sustancia pura

Existen diferentes diagramas según los materiales, sean totalmente solubles en estado sólido y líquido, o sea miscibles, o que sean insolubles. También pueden darse casos particulares.

Uno de los diagramas de equilibrio más clásico es el de los aceros que tiene particularidades, donde afecta claramente la concentración y las diferentes cristalizaciones que pueden darse en el hierro en estado sólido y a diferentes temperaturas.

Pares (presión, temperatura) de transición de fase entre:

  • Dos fases sólidas: Cambio alotrópico
  • Entre una fase sólida y una fase líquida: fusión - solidificación
  • Entre una fase sólida y una fase vapor (gas): sublimación - deposición (o sublimación inversa)
  • Entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización - condensación (o licuefacción)

Es importante señalar que la curva que separa las fases vapor-líquido se detiene en un punto llamado punto crítico (La densidad del líquido y vapor son iguales). Más allá de este punto, la materia se presenta como un fluido supercrítico que tiene propiedades tanto de los líquidos como de los gases. Modificando la presión y temperatura en valores alrededor del punto crítico se producen reacciones que pueden tener interés industrial, como por ejemplo las utilizadas para obtener café descafeinado.

Es preciso anotar que, en el diagrama P-T del agua, la línea que separa los estados líquido y sólido tiene pendiente negativa, lo cual es algo bastante inusual. Esto quiere decir que aumentando la presión el hielo se funde, y también que la fase sólida tiene menor densidad que la fase líquida.

Diagrama de fase binario

Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa.

Hay punto y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización:

  • Sólido puro o solución sólida
  • Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide)
  • Mezcla sólido - líquido
  • Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión)o un líquido completamente homogéneo.
  • Mezcla líquido - gas
  • Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con pocas variaciones da altitud).

En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones:

  • Línea de liquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas.
  • Línea de solidus, por debajo de la cual solo existen fases sólidas.
  • Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que tienen lugar transformaciones eutécticas y eutectoides, respectivamente.
  • Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarse en dos disoluciones sólidas (α) + (β) de distinta composición en A y B.
  • Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformaciones a temperatura constante:
    • Eutéctica
    • Eutectoide
    • Peritéctica
    • Peritectoide
    • Monotéctica
    • Monotectoide
    • Sintéctica
    • Catatéctica

Relación entre las propiedades y el diagrama de fases en una aleación

Una aleación de cobre-níquel es más resistente que el cobre puro o que el níquel puro debido al endurecimiento por solución sólida.

La resistencia del cobre aumenta por endurecimiento por solución sólida hasta que se agrega alrededor de 67% de Ni. El níquel puro es endurecido por una solución sólida cuando se le incorpora hasta 33% de Cu. Se obtiene la resistencia máxima de una aleación de Cu-67%Ni, conocida como Monel. El máximo está más cerca del lado del níquel puro del diagrama de fases debido a que el níquel es más resistente que el cobre.

Véase también

Referencias
  1. «Construcción de un diagrama de fases». Ciencia Básica Experimental para estudiantes de Ingeniería Química. Archivado desde el original el 12 de agosto de 2016. Consultado el 28 de mayo de 2016.
  2. Predel, Bruno; Hoch, Michael J. R.; Pool, Monte (2004). Phase Diagrams and Heterogeneous Equilibria: A Practical Introduction. Springer. ISBN 978-3-540-14011-5.

Enlaces externos
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