DIAGRAMA DE FASES

DEFINICION:

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. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación ,diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.

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.

Parte de la información que se puede obtener a partir de  ellos es la siguiente:

• Fases presentes a diferentes composiciones y temperaturas.
• Solubilidad de un elemento o compuesto en otro.
• Temperatura a la cual una aleación que se deja enfriar empieza a solidificar así como el rango de temperaturas en el que tiene lugar la solidificación.
• Temperatura a la que se funden o empiezan a fundirse las distintas fases.

En la figura 2.1 muestra el diagrama de fases presión-temperatura del agua. Una sustancia pura como el agua puede existir en fase sólida, líquida o gaseosa en función de las condiciones de presión y temperatura. En el diagrama se observa un punto triple a baja presión (4579 torr) y baja temperatura (0,0098°C) en el que coexisten las fases sólida, líquida y gaseosa del agua. Las fases líquida y gaseosa existen a lo largo de la línea de vaporización; las fases líquida y sólida existen a lo largo de la línea de solidificación. Estas líneas son líneas de equilibrio entre las dos fases. 

A presión constante y a medida que aumenta la temperatura el agua pasa de la fase sólida a la fase líquida. La temperatura en la que tiene lugar este cambio de fase es la temperatura de fusión. Si continua aumentando la temperatura habrá un segundo cambio de fase en el que el agua pasa de líquido a vapor, es la temperatura de vaporización. La temperatura de fusión y vaporización coincide para varias presiones con la línea de solidificación y vaporización respectivamente.

Figura 2.1    Diagrama de equilibrio de fases para el agua pura

La figura 2.2 muestra el diagrama de fases presión-temperatura del hierro. el hierro tiene a diferencia del agua tres fases solidas separadas y distintas: hierro alfa, hierro gamma y hierro delta. en el diagrama se observa tres puntos triples en los que coexisten tres fases diferentes: liquido, vapor y Fe para una presión constante de 1 atm, el hierro pasa de la fase liquida a la fase de Fe a la temperatura fusión de 1.539 grados Centigrados. Si continua el enfriamiento de la muestra y a 1.394 grados un segundo cambio de fase producirá la transformación de la forma cristalina del FE. a 910 grados, se produce el cambio de fase que se mantendrá hasta llegar a temperatura ambiente.

Figura 2.2    Diagrama de equilibrio de fases para el hierro puro.

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 solidas: Cambio alopico.

- Entre una fase solida y una fase liquida: fusión - solidificación.

- ntre una fase solida y una fase vapor (gas): sublimación - deposición (o sublimación inversa).

- Entre una fase liquida y una fase vapor: vaporización - condensación (o licuefaccion)

Es importante señalar que la curva que separa las fases vapor-líquido se detiene en un punto llamado punto critico (La densidad del líquido y vapor son iguales). Más allá de este punto, la materia se presenta como un fluido super crítico 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:

- Solido puro o solución solida.

- Mezcla de disoluciones solidas (eutentica, eutectoide, periectica, peritectoide).

- Mezcla solido - liquido.

- Únicamente liquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulción) o un liquido completamente homogéneo.

- Mezcla liquido - gas.

- Gas.

En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones:

- linea de liquidus, por encima de la cual solo existen fases liquidas.

- Linea de solidus, por debajo de la cual solo existen fases solidas.

- Linea eutectica y eutectoide. Son lineas horizontales en las que tienen lugar transformaciones eutecticas y eutectoides, respectivamente.

- Linea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución solida deja de ser soluble para transformarse en dos disoluciones solidas de distintas composiciones.

Para un mayor entendimiento del tema observar el video:

BIBLIOGRAFIA:

Pero-Sanz Elors, J.A.: "Ciencia e Ingeniería de Materiales", Ed. Dossat 5ta Edición (Madrid, 2006).

Hernandez (S.F.) "Primera ley de la Termodinámica", Santa Ana de Coro