Descubre las partes esenciales del diagrama de fases del agua
El diagrama de fase, también conocido como diagrama de estados de la materia, es una herramienta utilizada en termodinámica y ciencia de materiales para visualizar las distintas etapas de la materia. Esta representación permite estudiar de manera más sencilla y profunda las variables que afectan a cada estado de agregación. Además, cuando todas las fases representadas corresponden a diferentes estados de agregación, se le suele llamar diagrama de cambio de estado.
Definiciones importantes
La línea que divide el estado líquido y sólido tiene una pendiente positiva, lo cual se considera "normal" en este caso.
Evolución de la estructura termodinámica en una sustancia puraeditar
Existen diferentes tipos de diagramas de equilibrio, según los materiales y sus propiedades.
Algunos pueden ser totalmente solubles tanto en estado sólido como líquido, mientras que otros son miscibles y algunos más insolubles. Además, también pueden presentarse casos particulares.
Uno de los más clásicos es el diagrama de los aceros, el cual tiene particularidades debido a la concentración y las diferentes cristalizaciones que pueden ocurrir en el hierro en estado sólido y a diferentes temperaturas.
Es importante destacar que la línea que separa las fases vapor-líquido se detiene en un punto clave llamado punto crítico, donde la densidad del líquido y vapor son iguales. Más allá de este punto, la materia se presenta como un fluido supercrítico que posee propiedades tanto de los líquidos como de los gases. Al modificar la presión y temperatura alrededor del punto crítico, se pueden generar reacciones de interés industrial, como por ejemplo en la obtención de café descafeinado.
Resumen
En el estudio de las propiedades de una sustancia, es fundamental comprender las condiciones en las que se encuentra en estado sólido, líquido o gaseoso. Estas condiciones se representan mediante un diagrama de fase específico para cada sustancia.
Los diagramas de fase se componen de tres curvas que muestran las relaciones entre presión y temperatura para cada transición de fase: sólido a líquido, líquido a gas y sólido a gas. Estas curvas nos dan una visión clara de cómo varían estas dos variables en diferentes condiciones.
En el punto donde se cruzan las tres curvas, se encuentra el punto triple, que representa el equilibrio entre las tres fases de la sustancia. Este punto es crucial ya que nos indica la temperatura y presión en las cuales las tres fases coexisten en equilibrio.
Por otra parte, es importante destacar que por debajo del punto triple, una sustancia no puede cambiar de fase. Esto significa que, a presiones inferiores a las del punto triple, la sustancia permanecerá en el mismo estado, ya sea sólido, líquido o gaseoso.
Diferentes diagramas de equilibrioeditar
Los diagramas de equilibrio más simples son los de presión y temperatura para sustancias puras, como el agua.
En estos diagramas, en el eje vertical se representa la presión y en el horizontal la temperatura. Normalmente, para valores específicos de presión y temperatura, la sustancia se encuentra en una sola fase, excepto en:
- Zonas donde dos metales (A, B) se encuentran en estado líquido a temperaturas superiores a sus respectivos puntos de fusión (TA, TB), y pueden mezclarse formando una única fase líquida.
Esto indica que no hay diferencias en el comportamiento u observación entre las distintas partes del líquido, y los metales mezclados tienen la propiedad de miscibilidad. Si la mezcla líquida (XA + XB) se solidifica a través de un proceso de enfriamiento, se crea una aleación de los metales A y B.
Es bien sabido que las aleaciones mejoran las características de los metales puros.
Sin embargo, es más preciso decir que introducen variables que diferencian el comportamiento de los metales individuales, y en ciertas circunstancias pueden perjudicar sus propiedades. En términos históricos, las aleaciones han sido utilizadas desde tiempos antiguos, siendo ejemplos notables el bronce de la Edad del Bronce.
Conexión entre las características y el gráfico de equilibrio en una mezcla metálica
La resistencia del cobre se ve afectada por el endurecimiento debido a una solución sólida, que alcanza su punto máximo cuando se agrega alrededor del 67% de níquel. Por otro lado, el níquel puro experimenta un endurecimiento por solución sólida cuando se incorpora hasta un 33% de cobre. La aleación resultante de un 67% de cobre y un 33% de níquel, conocida como Monel, presenta la máxima resistencia. Curiosamente, en el diagrama de fases, el punto máximo se encuentra más cerca del lado del níquel puro, ya que este metal es naturalmente más resistente que el cobre.
Resumeneditar
Un diagrama de fase contiene diversos "límites de fase" o "líneas de equilibrio" que indican las condiciones en las cuales múltiples fases pueden coexistir en un equilibrio. Es a lo largo de estas líneas donde ocurren las transiciones de fase. Sin embargo, en estos diagramas no se incluyen las fases metaestables, a pesar de ser comunes, debido a que no pertenecen al equilibrio.
Los puntos triples se presentan cuando dos líneas de equilibrio se encuentran en el diagrama de fase. Estos puntos marcan las circunstancias en las que pueden existir tres fases diferentes simultáneamente. Por ejemplo, en el caso del agua, hay un punto triple que corresponde a la temperatura y presión específicas en las que pueden coexistir de manera estable los estados sólido, líquido y gaseoso (273,16 K y una presión de vapor parcial de 611,57 Pa).
Por un lado, el solidus indica la temperatura a la cual la sustancia se encuentra en un estado sólido estable. Por otro lado, el liquidus demarca la temperatura en la cual la sustancia es estable en su forma líquida. Es posible que haya una brecha entre estas dos temperaturas, situación en la cual la sustancia se encuentra en una mezcla de cristales y líquido en el espacio (similar a una "lechada"). [2]
Los diagramas de fase y sus características
Un diagrama de fase básico representa las diferentes formas en que una sustancia simple, como el agua, cambia de fase en función de la presión y la temperatura. Los ejes de este diagrama corresponden a las variables de presión y temperatura.
El gráfico se divide en tres secciones, cada una representando una fase diferente: sólido, líquido y gas. Las líneas en el diagrama señalan los límites de fase entre ellas.
El comportamiento del diagrama de fases se basa en la energía libre, que puede volverse no analítica en ciertos puntos. Por ejemplo, la capacidad calorífica de un recipiente de hielo cambiará abruptamente cuando se calienta más allá del punto de fusión. Esta discontinuidad se refleja en cambios bruscos en la derivada de la energía libre en función de las coordenadas del diagrama.
Las regiones o espacios abiertos en el diagrama donde la energía libre es analítica se denominan regiones monofásicas. Estas regiones están separadas por líneas donde se producen transiciones de fase, conocidas como fronteras.
A la derecha del diagrama, podemos observar el límite de fase entre el líquido y el gas. Sin embargo, este límite no se extiende infinitamente, sino que termina en un punto llamado punto crítico. En este punto, las fases líquida y gaseosa se vuelven indistinguibles, dando lugar a un estado llamado fluido supercrítico.
En el caso del agua, el punto crítico ocurre a Tc = 647,096 Kelvin (373,9°C), pc = 22,064 MPa (217,8 atm) y ρc = 356 kg/m3.
