REGLA DE FASES Y ALGUNAS APLICACIONES

LOS FACTORES DE LA REGLA DE FASESSISTEMA:

Es cualquier conjunto de materia que escogemos para hacer un estudio en particular.Los sistemas limitantes, son aquellos objetos que estan en contacto con el sistema.

FASE:Es cualquier fraccin, incluyendo la totalidad, de un sistema que es fsicamente homogneo en si mismo y unido por una superficie que es mecnicamente separable de cualquier otra fraccin.

Una fraccin separable puede no formar un cuerpo continuo, como por ejemplo un lquido dispersado en otro.

- Un sistema compuesto por una fase es homogneo Un sistema compuesto por varias fases es heterogneo

Numero de fases es el numero de fases de un sistema en consideracion. Se designa por la letra P.

COMPONENTE (de un sistema):

Es el menor nmero de constituyentes qumicos independientemente variables necesarios y suficientes para expresar la composicin de cada fase presente en cualquier estado de equilibrio.

El numero de componentes se designa por C.Se puede obtener el numero de componentes contando todas las sustancias quimicas del sistema ySustrayendo de ellas el numero de relaciones cuantitativas entre las concentraciones de las diferentes sustancias.

GRADOS DE LIBERTAD:Es el nmero de variables intensivas que pueden seralteradas independientemente y arbitrariamente sin provocar la desaparicin o formacin de una nueva fase. Variables intensivas son aquellas independientes de la masa: presin,temperatura y composicin.

Tambin se define con el nmero de factores variables.F=0 indica invarianteF=1 univarianteF=2 bivariante

Los llamados Diagramas de Fase representan esencialmente una expresin grficade la Regla de las Fases, la cual permite calcular el nmero de fases que pueden coexistiren equilibrio en cualquier sistema, y su expresin matemtica est dada por:

P+F=C+2

Donde:C = nmero de componentes del sistemaP = nmero de fases presentes en el equilibrioF = nmero de grados de libertad del sistema (variables: presin, temperatura, composicin)Regla de las Fases de Gibbs

La regla de las fases se aplica slo a estados de equilibrios de un sistema y requiere:

1.- Equilibrio homogneo en cada fase2.- Equilibrio heterogneo entre las fases coexistentes.

La regla de las fases no depende de la naturaleza y cantidad de componentes o fases presentes, sino que depende slo del nmero. Adems no da informacin con respecto a lavelocidad de reaccin.

El nmero de componentes ms dos (C+2), representa el nmero mximo de fases que pueden coexistir al equilibrio, donde los grados de libertad (F) no pueden ser inferiores a cero (a condiciones invariantes).

Ejemplo: ( 1 componente)Para el punto de triple coexistencia( C en diagrama):3+F=1+2F =0 (cero grados de libertad)

Como ninguna de las variables (presin, temperatura o composicin) se pueden cambiarmanteniendo las tres fases de coexistencia, el punto triple es un punto invariante.

Un punto de la curva de congelacin slido-lquido(B):2+F=1+2F=1 (un grado de libertad)

Una variable ( T o P) se puede cambiar manteniendo an un sistema con dos fases quecoexisten.

Si se especifica una presin determinada, slo hay una temperatura en la que las fasesslida y lquida coexisten.

Un punto dentro de la zona de fase nica (A):1+F= 1+2F=2 (dos grados de libertad)

Dos variables (T o P) se pueden cambiar independientemente y el sistema permanececon una nica fase.

Punto 1.Estamos en la situacin en que, si nos fijamos en la concentracin de los componentes, nos encontramos un metal puro, y si nos fijamos en la temperatura, nos situamos en su punto de fusin.Por tanto:(el metal puro): C=1P=2 (slido + lquido, pues al estar en el punto de fusin ya se estn empezando a formar los primeros cristales de slido): Por lo tanto obtenemos que F=0, con lo que podemos deducir que el punto de fusin es un punto fijo que se da a una temperatura y presin fijas, ya que no hay ningn grado de libertad.

Punto 2.Si nos situamos en un punto donde coexisten dos fases:(los dos metales de la aleacin): C=2las fases son 2 (slido + lquido): P=2

En esta situacin obtenemos que F=1. Es decir, tenemos un nico grado de libertad, con lo que es posible mantener la microestructura de dos fases mientras se modifica la temperatura del material (en un rango limitado).

Punto 3.Cuando nos situamos en la regin donde hay una sola fase a una composicin intermedia:(los dos metales de la aleacin): C=2las fases son 1 (slido o lquido): P=1

Es por esto que F=2, por lo que tenemos dos grados de libertad, es decir, podemos variar tanto la temperatura como la composicin de la aleacin en un rango limitado manteniendo la microestructura de la fase.

Diagramas de equilibrio.Los diagramas de equilibrio representan los estados estables, es decir, los estados que en esas condiciones poseen el mnimo deenerga libre.

En el diagrama de equilibrio, representamos la temperatura en el eje de ordenadas y la concentracin de los componentes en el de ordenadas.El estado de una aleacin lo representamos grficamente en l.

Aqu se reflejan los cambios de la aleacin cuando hay variaciones de su composicin, de su temperatura o presin, siempre y cuando el enfriamiento o el calentamiento se produzca a la velocidad adecuada para que se produzca el equilibrio.

En este diagrama se representan las correspondientes a cinco aleaciones Cu-Ni distintas: Cu puro, aleacin de 20% de Ni, 50% de Ni, 80% de Ni y Ni puro.

Los puntos marcados conLcorresponden a los valores de temperatura a los que la aleacin comienza a solidificar, y los puntos marcados conSlas temperaturas a partir de las que la aleacin es totalmente slida.CURVAS DE ENFRIAMIENTO

En el siguiente diagrama tenemos eldiagrama de equilibrio de la aleacin Cu-Ni.

Uniendo todos los puntos marcados con L en el diagrama de enfriamiento anterior se obtiene lalnea de liquidus, es decir, la lnea de temperaturas por encima de las cuales la aleacin se encuentra en una zona monofsica, en la que slo hay lquido.

Y uniendo los puntos S se obtiene lalnea de solidus, lnea por debajo de la cual la aleacin vuelve a estar en una zona monofsica, pero esta vez slo encontramos slido.

En la zona delimitada por las lneas de solidus y liquidus la aleacin se encuentra en una zona bifsica, donde coexisten slido y lquido(L+&).Las composiciones qumicas de cada una de las fases se indican mediante la interseccin de la isoterma con la lnea de lmite de fase, y la fraccin en peso de cada fase en una regin bifsica puede determinarse utilizando la regla de la palanca a lo largo de una isoterma a una temperatura determinada.

El protocolo a seguir consiste en entrar en el diagrama de equilibrio de la aleacin AB por la lnea de concentracin que deseamos analizar, lnea vertical X y por la lnea isoterma de la temperatura indicada, lnea horizontal L-O-S.

La interseccin de la isoterma con las lneas de liquidus y de solidus determina unos puntos de interseccin, los puntos L y S.La interseccin de la isoterma con la lnea de concentracin de nuestra aleacin determina el punto O.

Si proyectamos sobre el eje de concentraciones esos puntos de interseccin se obtienen las concentraciones de la fase lquida, wLy de la fase slida, wS, as como de la muestra que vamos a estudiar.

La regla de la palancaes el mtodo empleado para conocer el porcentaje de fase slida y lquida presentes en una aleacin de una cierta concentracin cuando se encuentra a una determinada temperatura.

Una vez determinadas estas concentraciones, aplicando la regla de la palanca podemos obtener el porcentaje de cada una de las fases en las condiciones del problema.