diagramas de fase

DIAGRAMAS DE FASE

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RESUMEN: En este informe definimos algunos de los conceptos
relacionados con los diagramas de fase, que nos permiten interpretar
algunas características de los materiales según su clasificación, de
acuerdo a la variación de presión y temperatura; esta clasificación se hace
en sistemas que tienen características y propiedades físico-químicas
independientes y que nos permiten analizar el comportamiento mecánico que
tendrá el material al llevarlo a alguno de estos sistemas.

PALABRAS CLAVE: Diagramas, fases, reacciones, sistemas (mezclas),
solubilidad.



INTRODUCCIÓN


Como ingenieros, necesitamos conocer las características de los materiales
en cada una de sus fases o sistemas, para conocer sus propiedades mecánicas
y así utilizar el material fase ó sistema adecuado para emplear en los
diferentes procesos requeridos en la industria.

Los conceptos presentados a continuación no solo nos darán información para
tomar una buena decisión al momento de elegir un material en una fase o
sistema ideal para un proceso, además de esto nos permitirá proponer y
diseñar el material con condiciones específicas para desempeñar un trabajo
mecánico, a partir de los conocimientos adquiridos.



DIAGRAMAS DE FASE


Son representaciones graficas de las fases que están presentes en un
sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. 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 los materiales. Los diagramas de fases más comunes
involucran temperatura versus composición.


SOLUBILIDAD LIMITADA



La solubilidad es una medida de la capacidad de disolverse de un soluto en
un determinado solvente. Ahora la solubilidad limitada hace referencia a
una disolución límite del soluto dentro del solvente en una cantidad,
presión y temperatura fijas.



EQUILIBRIO DE FASES


El equilibrio de fases ocurre cuando el valor de sus potenciales
químicos es el mismo en cada fase que se encuentre presente la especie; el
potencial químico hace referencia al cambio de energía que experimenta el
sistema si se introduce una partícula adicional.



1 EQUILIBRIO DE FASES PARA SUSTANCIAS PURAS




El equilibrio de fases en una sustancia pura solo se hace posible de tres
formas en una relación de presión y tiempo.
Dos fases solidas se denomina cambio alotrópico, alotrópico hace
referencia a los materiales que poseen estructuras químicas diferentes
Entre una fase solida y una fase liquida, se conoce como fusión el
paso de fase solida a fase liquida y se conoce como solidificación al
paso de fase liquida a fase solida
Entre una fase solida y una fase vapor, se conoce como sublimación el
paso de fase solida a fase vapor y se conoce como deposición al paso
de fase vapor a fase solida
Entre una fase liquida y una fase vapor, se conoce como vaporización
al paso de fase liquida a fase vapor y condensación de fase vapor a
fase liquida.



SISTEMAS ISOMORFOS BINARIOS


En los sistemas binarios intervienen dos sustancias, que en la mayoría de
los casos son solubles entre sí, tanto en estado líquido como en estado
sólido. En estos sistemas solo se da una clase de cristalización para todas
las composiciones de las sustancias por esto reciben el nombre de
isomorfos. Si se da la disolución completa entre ellos, las sustancias
cumplen una o más condiciones de las formuladas por el metalmecánico Hume
Rothery, que son:
La estructura cristalina de los elementos en la solución solida debe
ser la misma.
El tamaño de los átomos no debe diferir en más de un 15%
Las valencias deben ser las mismas.
No deben haber diferencias grandes en la electronegatividad de las
sustancias.

En este tipo de diagramas se puede ver un área sobre la línea superior
(liquidus) que atraviesa el diagrama, que corresponde al área de la
estabilidad liquida. De igual forma el área formada bajo la línea inferior
(solidus) que recorre el diagrama corresponde a la región de estabilidad de
la solución sólida, (ya que las sustancias son solubles en cualquiera de
sus dos estados) y entre estas dos líneas que definen los estados de la
solución existe una pequeña área intermedia de dos fases en la cual la fase
sólida y liquida coexisten.

En las regiones monofásicas correspondientes a las zonas de líquido o
sólido, tanto la temperatura como la composición se deben especificar con
el fin de situar un punto en el diagrama de fases.









Los sistemas de dos componentes tienen tres variables independientes, que
son temperatura, presión y composición. En los sistemas de un nivel
industrial, existe una presión de vapor muy baja para las grandes
variaciones de temperatura por lo que la variable presión y la fase gaseosa
pueden no ser consideradas en el diagrama. Por lo tanto los diagramas
pueden reducirse a dos dimensiones representando la composición en el eje x
y la temperatura en el eje y.


En los sistemas binarios bajo estas condiciones pueden coexistir tres
fases produciendo una condición invariante (punto triple); dos fases
producen una condición univariante (línea) y una fase una condición
bivariante (zona de equilibrio). Los puntos invariantes presentan nombres
particulares:
A. Sólido α + Sólido β Líquido EUTÉCTICO
B. Sólido α Sólido β + Líquido PERITÉCTICO
C. Sólido + Líquido 1 Líquido 2 MONOTÉCTICO


1 SISTEMAS EUTÉCTICOS:



Se presenta cuando un líquido de composición constante origina dos
solidos con composiciones definidas. Se puede representar así:
Líquido E = Sólido 1 + Sólido 2.


La reacción eutéctica se da completamente, es decir, el líquido
desaparece totalmente a una temperatura constante. Una de las principales
características de los sistemas eutécticos es que la temperatura a la que
se forma la fase líquida es más baja que la de los dos componentes puros.


2 SISTEMA PERITÉCTICO BINARIO:



Cuando por reacción de un líquido y un sólido, a una temperatura
constante, se obtiene otro sólido, la reacción se cataloga como
peritéctica (o periférica). Se trata de un sólido con un punto de fusión
incongruente. Considérese el diagrama de la figura 9 y dentro de él, la
composición 42.4% de plata y 1186°C de la mencionada curva. Por aplicación
de la Ley de Gibbs, se desprende que esta temperatura se mantiene
constante durante la reacción: Líquido + Sólido α = Sólido β



3 SISTEMA MONOTÉCTICO:



Estos diagramas aparecen cuando las sustancias en estado líquido no se
pueden mezclar dentro de un campo de composición y temperatura determinado,
sí siéndolo fuera de él. El campo de insolubilidad suele tener forma de
cúpula, a la que se llama cúpula o laguna de insolubilidad. Por esta razón,
si no existe solubilidad total en estado líquido, no es probable que exista
solubilidad, aún parcial, en estado sólido, siendo el caso más frecuente el
de insolubilidad en estado sólido. Si se da la solubilidad parcial en
estado sólido a menudo está restringida a la formación de una única
solución sólida de solubilidad muy pequeña.