El diagrama de fases en termodinámica y ciencia de materiales, es denominado como un diagrama de fase estado de la materia o diagrama de equilibrio, precisamente porque es una representación entre los diferentes estados de la misma en función de variables elegidas para facilitar el estudio.
Además, también se suele denominar diagrama de cambio de estado cuando en una de las representaciones corresponden a estados de agregación diferente. En el siguiente artículo explicaremos Cómo hacer un diagrama de fases y cuáles son sus tipos.
Tabla de Contenidos
¿Qué es un diagrama de fases?
En química, física, ingeniería, mineralogía y ciencia de materiales, un diagrama de fase es un gráfico que se utiliza para mostrar las condiciones, bien sean de presión, temperatura, volumen, entre otros, en las que se producen las fases termodinámicamente diferentes, bien sean estados sólidos, líquidos o gaseosos y conviven en el equilibrio.
En los campos anteriormente mencionados, los diagramas de fases son muy relevantes para hacer estudios de solidificación, microestructura, metalurgia física y diseño de nuevos materiales. Asimismo, también tiene una gran importancia en la práctica general de ingeniería, la cual está relacionada de alguna manera con la manipulación y el procesamiento de materiales, ya que aquí se permite relacionar los procesos de obtención de la estructura.
Pero además de servir para saber el estado físico en el que se encuentra una sustancia a una presión y temperatura, este y gráfico es de vital importancia para predecir los cambios que tienen lugar cuando estas condiciones varían.
Como hacer un diagrama de fases
Para construir un diagrama de fases de un solo componente es necesario representar la temperatura en abscisas y la presión en ordenadas, marcando las líneas que separan las tres fases o estados como lo son el estado sólido, líquido o vapor.
Por otro lado, para hacer un diagrama de fases de dos componentes, es necesario fijar una variable representando en ordenadas la temperatura, y en abscisas la concentración de los componentes.
Entre los métodos de la construcción de diagrama de fases se encuentran:
- La saturación o solubilidad para disoluciones sólido líquido.
- El análisis térmico diferencial es capaz de determinar la curva de enfriamiento de una composición fija, en función de su tiempo ideal para observar los cambios de la pendiente de la curva de enfriamiento.
- También está el método ATD el cual representa limitaciones cuando se necesita conocer los cambios que se producen en estados sólidos, cuando el cambio de pendiente por el calor de transformación es inferior al calor latente de fusión/solidificación.
En el siguiente ejemplo a continuación se puede observar un esquema donde la presión es ubicada en el eje de las ordenanzas y la temperatura en el eje de las abscisas. A la izquierda de este diagrama de fases la materia se ubica en estado sólido y mientras más temperatura, se observa un cambio de fase a líquido y posteriormente de líquido a vapor. Pero lo anteriormente explicado es siempre y cuando nos movamos por encima del punto triple. Si lo hacemos por debajo de dicho punto, el cambio de fase pasaría directamente de sólido a vapor o inversamente.
Estas curvas representadas son las de equilibrio, para mostrar un ejemplo, la curva que va desde el punto triple al punto crítico es la curva de equilibrio líquido-vapor, pero la curva que se ubica a la izquierda es la curva de equilibrio líquido-sólido. Por debajo de la misma se tiene el equilibrio sólido-vapor puesto qué en las bajas temperaturas y presiones es representada la presión de vapor del sólido, todas estas curvas de equilibrio son representadas por los cambios de fase.
Tipos de diagramas de fases
Podemos identificar diferentes tipos de diagramas de equilibrio, según sus fases o componentes:
Diagramas bidimensionales
Presión vs temperatura: Entre los diagramas de fases más simples se encuentran los diagramas de presión-temperatura de una sola sustancia simple, como por ejemplo el agua. El diagrama de fases muestra el espacio presión-temperatura así como también las líneas de equilibrio o límites de fases entre las 3 fases principales de sólido, líquido y gas. Por ejemplo, en el agua el punto crítico ocurre alrededor de T c = 647.096 K (373.946 ° C), p c = 22.064 MPa (217.75 atm) y ρ c = 356 kg / m 3.
Volumen específico, entalpía específica o específica entropía
Aparte de la presión y temperatura, existen otras propiedades termodinámicas. Tales como el volumen específico, entalpía específica o específica entropía. Las mismas cantidades termodinámicas pueden ilustrarse en incrementos como serie de líneas, las cuales son, curvas, rectas o una combinación de curvas y rectas. Por lo tanto, cada isolina, representa la cantidad termodinámica a un cierto valor constante.
Diagramas tridimensionales
La línea en la superficie llamada línea triple es donde el líquido, vapor y sólido pueden llegar a coexistir en equilibrio.
Mezclas binarias
La concentración es convertida en una variable importante. Pueden llegar a plasmar en un diagrama de fase más de dos dimensiones. Asimismo, los diagramas de fase también pueden usar otras variables, como la fuerza de un campo eléctrico o magnético aplicado.
Ejemplo diagrama de fases del agua
En este primer ejemplo, el diagrama de fases del agua es ideal para poder determinar los comportamientos de un fluido si se somete a cambios de presión y temperatura, el cual sería su estado más estable.
Por otro lado, el punto triple de un diagrama de fases es capaz de facilitar bajo qué condiciones de presión y temperatura existen bajo los tres estados de la materia al mismo tiempo.
En este ejemplo de diagrama, se pueden apreciar los siguientes puntos:
- Evaporación
- Condensación
- equilibrio Líquido-Gas
- Ebullición
- Punto crítico
Ejemplo Diagrama de fases del CO2
En este segundo ejemplo, son detalladas las construcciones de dicho diagrama de fases del CO2, por medio de los valores del punto triple, punto crítico, así como otras propiedades, de acuerdo a sus ecuaciones de fronteras.
Este punto triple es a causa de las bajas temperaturas. Es producido al conjugar los niveles de temperatura y presión, ya que, con cada uno de estos estados, se produce una materia.
Diagrama de fases del sistema hierro carbono
Como último punto, se tiene en consideración el diagrama de fases del sistema hierro carbono. En este tipo de diagrama, el porcentaje presente y su temperatura definen lo que es la fase hierro-carbono, y por ende, posee características físicas y propiedades mecánicas. Cada porcentaje de su carbono es capaz de determinar su tipo de aleación. Entre ellas se encuentran:
- Ferrita
- Austenita
- Grafito
- Cementita
Por otro lado, sus fases metaestables son:
- Pearlitas
- Martensita
- Bainita
