Diagramas De Fases De Equilibrio

1.3 Diagramas de Fase de equilibrio

En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase, diagrama de equilibrio de fases o diagrama de estados de la materia, a la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo.

Los equilibrios entre fases pueden corresponder a los más variados tipos de sistemas heterogéneos: un líquido en equilibrio con su vapor, una solución saturada en equilibrio con el soluto en exceso, dos líquidos parcialmente solubles el uno en el otro, dos sólidos totalmente solubles en equilibrio con su fase fundida, dos sólidos parcialmente solubles en equilibrio con un compuesto formado entre ellos, etc. El objetivo es describir completamente el sistema.

El comportamiento de estos sistemas en equilibrio se estudia por medio de gráficos que se conocen como diagramas de fase: se obtienen graficando en función de variables como presión, temperatura y composición y el sistema en equilibrio queda definido para cada punto (los gráficos de cambio de estado físico ó de presión de vapor de una solución de dos líquidos son ejemplos de diagramas de fases).

La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de materiales.

A partir de los diagramas de fase se puede obtener información como:

1.- Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).

2.- Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (compuesto) en otro.

3.- Determinar la temperatura en la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación.

4.- Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

Los equilibrios de fase y sus respectivos diagramas de fase en sistemas multicomponentes tienen aplicaciones importantes en química, geología y ciencia de los materiales. La ciencia de materiales estudia la estructura, propiedades y aplicaciones de los materiales científicos y tecnológicos.

Definiciones.

 Equilibrio: un sistema está en equilibrio si no tiene lugar cambios microscópicos con el tiempo.

 Fase: una porción física homogénea y diferente de un sistema material.

 Diagrama de fases en equilibrio: representación gráfica de temperaturas y composiciones para las cuales varias fases son estables en el equilibrio. En la ciencia de materiales, los diagramas de fases más comunes describen a la temperatura versus composición.

 Sistema: una porción del universo que ha sido aislada de tal modo que sus propiedades pueden ser estudiadas.

 Regla de las fases de Gibbs: establece que en el equilibrio del número de fases más los grados de libertad es igual al número de componentes más 2, P + F = C + 2. De forma abreviada, con la presión 1= atm, P + F = C + 1.

 Grados de libertad F: número de variables (temperatura composición y presión) que se pueden variar independientemente sin cambiar la fase o fases del sistema. Número de componentes de un diagrama de fases: número de elementos que constituyen el sistema del diagrama de fases. Por ejemplo Fe-Ni un sistema de dos componentes.

 Sistema isomorfo: un diagrama de fases en el cual solo existe una única fase sólida, esto es, hay solo una estructura en estado sólido.

 Líquidus: temperatura a la cual el líquido empieza a solidificarse bajo condiciones de equilibrio.

 Sólidus: temperatura durante la solidificación de una aleación a la cual la última parte de la fase liquida se solidifica.

 Regla de la palanca: los porcentajes en pesos de las fases en cualquier región de un diagrama de fases binarios se pueden calcular usando esta regla si prevalecen las condiciones de equilibrio.

 Reacciones invariantes: transformaciones de fase en equilibrio que se suponen cero grados de libertad.

 Temperatura Eutéctica: La temperatura a la cual tiene lugar la reacción eutéctica.

 Composición hipo-eutéctica: Aquella que se encuentra a la izquierda del punto eutéctico.

 Composición hiper-eutéctica: Aquella que se halla a la derecha del punto eutéctico.

• Diagrama de equilibrio de aleaciones totalmente solubles en estado líquido y en estado sólido:

Es el diagrama de fases más sencillo; se dan aleaciones de algunos pares de sustancias que son completamente miscibles en fase sólida, como por ejemplo los sistemas Cu-Ni, Sb-Bi, Pd-Ni, KNO3-NaNO3 y d-carvoxima-l-carvoxima.

En este tipo de sistema A y B son totalmente solubles tanto en estado sólido como en estado líquido.

Si tomamos distintas concentraciones de éste metal y trazamos sus curvas de enfriamiento empezando por la aleación del 0%B y terminando en la del 100%B, obtenemos una serie de curvas, de las cuales las de los metales puros presentan a las temperaturas inicial y final de la solidificación un tramo horizontal, ya que esta se verifica a temperatura constante. Sin embargo, las curvas de enfriamiento de las aleaciones intermedias presentan dos puntos singulares o de cambio de pendiente, de los cuales el correspondiente a la mayor temperatura marca el comienzo de la solidificación y el otro el final de ésta. La línea que une todos los puntos de comienzo de solidificación se denomina línea de líquidos y la que une el final de solidificación línea de sólidos. El área situada por encima de la línea de líquidos representa una región monofásica, que se presenta en forma de una solución líquida homogénea. La región situada por debajo de la línea de sólidos también corresponde a una sola fase, y las aleaciones situadas en ésta región presentan la forma de una solución sólida homogénea. La zona comprendida entre las dos líneas representa una zona bifásica, y toda aleación que se encuentre dentro de esta zona están formadas por una mezcla de una solución sólida y otra líquida. Si cogemos un punto que está justo en la línea de líquido, si el punto de solidificación del elemento A es superior a la del elemento B, comienza a cristalizar una solución sólida rica en A quedando un líquido rico en B, y a medida que seguimos enfriando los cristales de dicha solución sólida van creciendo hasta llegar a la línea de sólido, donde termina de solidificar la aleación. El último líquido que queda suele ser más rico en metal B por lo que la zona del límite de grano presenta un porcentaje mayor de B.

• Diagrama de equilibrio de aleaciones totalmente soluble es estado líquido y parcialmente soluble en estado sólido:

En éste caso las soluciones sólidas de un componente en otro que se forman tienen un límite de saturación.

Los puntos de solidificación de los dos componentes puros vienen representados por TA y TB respectivamente. La línea de líquidas será TAETB y la de sólidas TAFEGTB. Como puede verse en éste tipo de diagramas de equilibrio en los puntos de fusión de los metales puros, que a su vez es punto de encuentro de la línea de líquido y de sólido, el diagrama adquiere forma la forma de huso característica de los sistemas que presentan solubilidad total en estado líquido, lo cual es lógico, ya que los componentes son parcialmente solubles en estado sólido y por tanto forman soluciones sólidas. Al solidificar las aleaciones pertenecientes a éste diagrama, nunca se forman cristales puros de A o de B sino que se forman soluciones sólidas o una mezcla de ellas.

Las soluciones sólidas se designan por letras griegas, siendo en ésta caso a y ß las regiones correspondientes a las soluciones sólidas monofásicas, las cuales al formarse en las regiones contiguas a los ejes se denominan soluciones sólidas terminales o finales. En él puede verse que al descender la temperatura y alcanzar la temperatura eutéctica, la solución sólida a disuelve un máximo de B, cuya cantidad disminuye si lo hace la temperatura hasta un mínimo. Y lo mismo ocurre en el caso de ß. Este cambio de solubilidad lo indican las líneas FH y GJ, las cuales se denominan líneas de transformación o cambio de solubilidad, e indican la solubilidad máxima de B en A o de A en B en función de la temperatura. Si consideramos el enfriamiento de distintas disoluciones, se observa que en caso de tomar una aleación cuya composición sea la eutéctica lo que tenemos es en primer lugar una solución líquida homogénea que al descender la temperatura hasta la eutéctica se transforma a temperatura constante en una mezcla eutéctica igual que pasara en el caso anterior estudiado, con la única diferencia que ésta mezcla eutéctica en lugar de estar constituida por dos componentes puros, la formarán dos soluciones sólidas. Ahora bien hay que tener en cuenta que como la solubilidad de B en A y de A en B varía de acuerdo con las líneas de transformación, las cantidades relativas de alfa y beta que componen el eutéctico a temperatura ambiente difieren ligeramente de las obtenidas después de la transformación eutéctica.

Si tomamos por

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