Equilibrio de Fases

Reglas de las Fases de Gibbs

Esta regla nos define los grados de libertad que posee el sistema dependiendo del tipo de variables que consideremos. Establece la siguiente relación:

F = C - P + 2

donde:
F = número de grados de libertad
C = número de componentes
P = número de fases presentes
2 = es el número de variables de estado del sistema (temperatura y presión)

En los casos experimentales, el efecto de la variación de la presión es despreciable, así establecemos que: P = 1 atm = constante durante todo el experimento. Así pues, la regla de las fases queda establecida para nuestros propósitos empíricos como:

F = C - P + 1

Presión de Vapor

La presión de vapor es la presión de la fase gaseosa o vapor de un sólido o un líquido sobre la fase líquida en una ampolla cerrada al vacío, para una temperatura determinada, en la que la fase líquida y el vapor se encuentran en equilibrio dinámico; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. 

Este fenómeno también lo presentan los sólidos; cuando un sólido pasa al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido (proceso denominado sublimación o el proceso opuesto, llamado sublimación inversa o deposición) también hablamos de presión de vapor. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado. 

Esta propiedad posee una relación inversamente proporcional con las fuerzas moleculares, debido a que cuanto mayor sea el módulo de las mismas, mayor deberá ser la cantidad de energía entregada (ya sea en forma de calor u otra manifestación) para vencerlas y producir el cambio de estado.

Temperatura de Ebullición Normal

El punto de ebullición de un líquido es la temperatura en la cual la presión de vapor del líquido se iguala a la presión externa y en ese momento empieza a ebullir o lo que es lo mismo a pasar de la fase liquida a la fase gaseosa en el seno del líquido que es por lo que se forman las burbujas las cuales son formadas por el líquido evaporado. Cuando se hablan de condiciones normales, es decir, el punto de ebullición normal, se hace referencia al caso de ebullición cuando el líquido está sometido a una presión externa de 1 atmósfera o, históricamente, a la correspondiente al nivel del mar.

Ecuación de Clapeyron

La ecuación de Clapeyron nos permite calcular la pendiente de la línea de equilibrio dP/dT a cualquier valor de P,T.

Consideremos dos puntos sobre la línea de equilibrio, en cualquiera de ellos se debe cumplir

Es innecesario el subíndice por ser una sustancia pura. Como el potencial químico coincide con la energía libre de Gibbs molar

Al pasar del punto (1) al (2) se produce un cambio infinitesimal en G y podemos escribir:

Aplicando la expresión

a la ecuación anterior se obtiene:

Agrupando términos:

Despejando:

ΔS y ΔV son los cambios de entropía y volumen al pasar de la fase β a la α. En caso de ir de la fase α a la β cambiarían los signos tanto del numerador como del denominador sin alterar el cociente.

Dado que

la ecuación anterior nos da:

Esta última expresión se conoce como ecuación de Clapeyron.

Diagramas de Fases

En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase o diagrama de estados de la materia, a la representación entre diferentes estados de la materia, 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.

Los diagramas de equilibrio pueden tener diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a distintas temperaturas. Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material está en fase líquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales están en estado sólido.

Fuentes

https://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_fase

http://www.quimicafisica.com/ecuacion-de-clapeyron.html

https://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica1/gibbs.htm

https://glosarios.servidor-alicante.com/quimica/punto-de-ebullicion-normal

https://es.wikipedia.org/wiki/Presión_de_vapor