Diagrama de fase
En termodinàmica i ciència de materials es denomina diagrama de fase o diagrama d'estats de la matèria, a la representació entre diferents estats de la matèria, en funció de variables elegides per a facilitar l'estudi del mateix.[1] Quan en una d'estes representacions totes les fases corresponen a estats d'agregació diferents, se sol denominar diagrama de canvi d'estat.
Els diagrames d'equilibri poden tindre diferents concentracions de materials que forma una aleació a distintes temperatures. Dites temperatures van des de la temperatura per damunt de la qual un material està en fase líquida fins a la temperatura ambiente i en que generalment els materials estan en estat sòlit.
Resumixen
[editar | editar còdic]Els components comuns d'un diagrama de fase són "llínees d'equilibri" o "llímits de fase", que es referixen a llínees que marquen les condicions baix les quals múltiples fases poden coexistir en equilibri. Les transicions de fase ocorren a lo llarc de les llínees d'equilibri. Les fases metaestables no es mostren en els diagrames de fase ya que, a pesar de la seua ocurrència comuna, no són fases d'equilibri.
Els punts triples són punts en els diagrames de fase a on les llínees d'equilibri es creuen. Els punts triples marquen les condicions en les que poden coexistir tres fases diferents. Per eixemple, el diagrama de fases de l'aigua té un punt triple que correspon a la temperatura i pressió úniques a les que l'aigua sòlida, líquida i gaseosa poden coexistir en un equilibri estable. (273,16 K i una pressió de vapor parcial de 611,57 Pa).
El solidus és la temperatura per baix de la qual la substància és estable en estat sòlit. El liquidus és la temperatura per damunt de la qual la substància és estable en estat líquit. Pot haver una brecha entre solidus i liquidus; dins de l'espai, la substància consistix en una mescla de cristals i líquit (com una "lechada").[2]
Els decorreguts de treball a sovint es classifiquen segons la forma del seu diagrama de fase.
Tipos de Diagrames de Fase
[editar | editar còdic]Diagrames bidimensionales
[editar | editar còdic]
Pressió vs temperatura
[editar | editar còdic]Els diagrames de fase més senzills són els diagrames pressió-temperatura d'una única substància simple, com aigua. Els eixos corresponen a la pressió i a la temperatura. El diagrama de fases mostra, en l'espai pressió-temperatura, les llínees d'equilibri o llímits de fase entre les tres fases de sòlit, líquit i gas.
Les curves del diagrama de fases mostren els punts en els que l'energia lliure (i atres propietats derivades) es torna no analítica: les seues derivades sobre les coordenades (temperatura i pressió en este eixemple) canvien de forma discontínua (abrupta). Per eixemple, la capacitat calorífica d'un recipient ple de gèl canviarà bruscament quan el recipient es calent més allà del punt de fusió. Els espais oberts, a on l'energia lliure és analítica, corresponen a regions monofásicas. Les regions monofásicas estan separades per llínees de comportament no analític, a on es produïxen transicions de fases, que es denominen fronteres de fase.
En el diagrama de la dreta, el llímit de fase entre líquit i gas no continua indefinidament. Pel contrari, termina en un punt del diagrama de fases cridat punt crític. Açò reflectix el fet de que, a temperatures i pressions extremadament altes, les fases líquida i gaseosa es tornen indistinguibles,[3] en lo que es coneix com un decorregut supercrítico. En l'aigua, el punt crític es produïx entorn a Tc = Error de Lua: expandTemplate: template "es:formatnum" does not exist., pc = Error de Lua: expandTemplate: template "es:formatnum" does not exist. i ρc = 356 kg/m3.[4]
L'existència del punt crític líquit-gas revela una llaugera ambigüitat en l'etiquetage de les regions monofásicas. Quan es passa de la fase líquida a la gaseosa, normalment es creua el llímit de fase, pero és possible elegir un camí que mai creue el llímit anant a la dreta del punt crític. D'esta manera, les fases líquida i gaseosa poden mesclar-se contínuament. El llímit de fase sòlit-líquit només pot terminar en un punt crític si les fases sòlida i líquida tenen el mateix grup de simetria.
Per a la majoria de les substàncies, el llímit de fase sòlit-líquit (o curva de fusió) en el diagrama de fases té una pendent positiva, de modo que el punt de fusió aumenta en la pressió. Açò és cert sempre que la fase sòlida siga més densa que la fase líquida.[5] Quant major és la pressió sobre una substància donada, més prop es troben les molècules de la substància entre sí, lo que aumenta l'efecte de les forces intermoleculars de la substància. Aixina, la substància requerix una temperatura més alta per a que les seues molècules tinguen energia suficient per a eixir del patró fix de la fase sòlida i entrar en la fase líquida. Un concepte similar s'aplica als canvis de fase líquit-gas.[6]
L'aigua és una excepció que presenta una frontera sòlit-líquit en pendent negativa de manera que el punt de fusió disminuïx en la pressió. Açò ocorre perque el gèl (aigua sòlida) és menys dens que l'aigua líquida, com demostra el fet de que el gèl sura sobre l'aigua. A nivell molecular, el gèl és menys dens perque té una ret més extensa d'enllaç d'hidrogen que requerix una major separació de les molècules d'aigua.[5] Atres excepcions inclouen antimoni i bismut.[7][8]
A pressions molt altes, superiors a 50 GPa (500 000 atm), el nitrogen líquit experimenta una transició de fase líquit-líquit a una forma polimèrica i es torna més dens que el nitrogen sòlit a la mateixa pressió. En estes condicions, per tant, el nitrogen sòlit també sura en el seu líquit.[9]
El valor de la pendent dP/dT ve dau per l'Equació de Clausius-Clapeyron per a la fusió[10]
a on ΔHfus és la calor de fusió que sempre és positiu, i ΔVfus és el canvi de volum per a la fusió. Per a la majoria de les substàncies ΔVfus és positiu, per lo que la pendent és positiva. No obstant, per a l'aigua i atres excepcions, ΔVfus és negatiu, per lo que la pendent és negativa.
Per a mescles multicomponentes, com les que es donen de forma natural en els jaciments d'hidrocarburs, el diagrama de fases es convertix en una envolvente de fases. Dins de la envolvente coexistixen una fase líquida i una atra gaseosa, mentres que en l'exterior de la envolvente el decorregut es presenta com un gas monofásico o un líquit monofásico. Les imàgens següents[11] corresponen a la envoltura d'una mescla de metà, etano, propà, butà normal, isobutano, pentano normal, pentano iso, hexano i heptano. Les composicions de les fraccions Mol es mostren en els gràfics.
Atres propietats termodinàmiques
[editar | editar còdic]Ademés de la temperatura i la pressió, en els diagrames de fase poden representar-se gràficament atres propietats termodinàmiques. Eixemples de tals propietats termodinàmiques inclouen volum específic, entalpia específica, o entropía específica. Per eixemple, els gràfics d'un sol component de temperatura front a entropía específica (T front a s) per a aigua/vapor o per a un refrigerante s'utilisen comunament per a ilustrar cicles termodinàmics com un cicle de Carnot, cicle de Rankine o Refrigeració per compressió.
Dos magnituts termodinàmiques qualssevol poden representar-se en els eixos horisontal i vertical d'un diagrama bidimensional. Cantitats termodinàmiques adicionals poden ser ilustrades en increments com una série de llínees - curves, rectes, o una combinació de curves i rectes. Cada una d'estes llínees iso representa la magnitut termodinàmica a un valor constant determinat.
.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ «Construcció d'un diagrama de fases». Ciència Bàsica Experimental per a estudiants d'Ingenieria Química. Archivat des d'el original, el 12 d'agost de 2016. Consultat el 28 de maig de 2016.
- ↑ (2004) Phase Diagrams and Heterogeneous Equilibria: A Practical Introduction, Springer. ISBN 978-3-540-14011-5.
- ↑ (2002) La Física de la Transició de Fase : Conceptes i Aplicacions, Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-43236-4.
- ↑ Associació Internacional per a les Propietats de l'Aigua i del Vapor "Guideline on the Use of Fonamental Physical Constants and Basic Constants of Water", 2001, p. 5
- ↑ 5,0 5,1 Química general., 4th edició, Saunders College Publishing, p. 477. ISBN 9780030751561.
- ↑ (1992) Química : L'estudi de la matèria Prentice, Quarta edició, Prentice Hall, pp. 266-273. ISBN 978-0-13-127333-7.
- ↑ (2012) «11.7 Diagrames de fase», Principis de Química General, Creative Commons.
- ↑ (2002) Química General. Principis i aplicacions modernes, 8ª edició, Prentice Hall, p. 495. ISBN 0-13-014329-4.
- ↑ “Curva de fusió a alta pressió del nitrogen i la transició de fase líquit-líquit” . Physical Review Letters 99 (22): 225701. PMID 18233298. Bibcode: 2007PhRvL..99v5701M.
- ↑ Physical Chemistry, Benjamin/Cummings, pp. 173-74.
- ↑ John Alzate. https://www.linkedin.com/pulse/compositional-pvt-phase-envelope-printer-john-henry-alzate-buitrago/
- Este artícul conté una traducció derivada de «Diagrama de fase» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.