Termodinamica

EQUILIBRIO DE FASES: sistemas binarios

INTRODUCCIÓN

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. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado. Para entender un poco más sobre lo que es el diagrama de equilibrio de fases debemos conocer los diferentes estados de la materia que a continuación se describen.

Se sabe que en física y química se observa que, para cualquier sustancia o elemento material, modificando sus condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases, denominados estados de agregación de la materia, en relación con las fuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que la constituyen.

Todos los estados de agregación poseen propiedades y características diferentes, los más conocidos y observables cotidianamente son cuatro, las llamadas fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática. Otros estados son posibles, pero no se produce de forma natural en nuestro entorno por ejemplo: condensado de Bose-Einstein, condensado fermiónico y las estrellas de neutrones.

EQUILIBRIO TERMICO ENTRE FASES FLUIDAS.

El conocimiento firme de los conceptos de la termodinámica se considera esencial para el diseño, operación y optimización de proyectos en la ingeniería química, petroquímica, petróleo y gas, debido a que todos los procesos de separación se basan en datos precisos y exactos de propiedades termo-físicas y del equilibrio de fases. Es en los procesos de separación y purificación donde se consume entre el 70 y el 90% de la energía y los costos de operación de un gran número de plantas de refinación, petroquímicas y químicas (Henley y Seader, 1990), por lo que es indispensable optimizar algunos parámetros de operación y para ello la Termodinámica es fundamental.

La ingeniería básica es parte medular para el diseño de procesos de la industria química, requiere de datos con alta precisión y exactitud de un número importante de propiedades termo-físicas de las corrientes involucradas que permitan el desarrollo y diseños confiables que se traduzcan en ahorros en los costos y aumenten las ganancias con la disminución de factores de riesgo y seguridad para el personal y protección del medio ambiente.

Si dos fases llegan al equilibrio termodinámico se alcanza un límite en la transferencia de materia de una fase a otra, de tal forma, que dicha transferencia se anula, bajo condiciones de presión y temperaturas conocidas. Para que un proceso industrial o de laboratorio se realice con una velocidad de producción razonable, es necesario evitar la proximidad del equilibrio, ya que la velocidad de transferencia en cualquier punto es proporcional a la fuerza impulsora que viene dada por el alejamiento del equilibrio de dicho punto. Por tanto, para evaluar fuerzas impulsoras el estudio del equilibrio entre fases resulta de gran importancia. En transferencia de materia son importantes los diferentes tipos de fases.

En todos los casos intervienen por lo menos dos fases y se pueden encontrar todas las combinaciones excepto dos fases gaseosas o solidas, considerando las fases en su conjunto, los efectos de área superficial o de la curvatura o de las superficies son despreciables y las variables termodinámicas a controlar son la temperatura, presión y concentraciones.(McCabe et al.,1993). Operaciones unitarias como la extracción en fase liquida y las destilaciones azeotrópica y extractivas, muy utilizadas en la industria y los laboratorios de investigación, requieren de la selección de disolventes que posean las características adecuadas para obtener los productos deseados con eficiencias altas de separación.

La extracción en fase liquida es una

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