Diagramas de Fase.

24 mayo, 2010 · 4 comentarios

El objetivo de esta práctica es sencillo; Comprender el significado y uso de los diagramas de Equilibrio (diagramas de fase), así como aprender a elaborarlos.

Materiales

  • 3 Termómetros
  • 3 Pinzas
  • 3 Soportes Universales
  • 6 Tubos de ensaye
  • 3 Lámparas de Alcohol
  • 6 Muestras de mezclas de Naftalina (α) y β-Naftol (β )



Las concentraciones de las mezclas son las siguientes:


Procedimiento

Después de realizar el experimento tendremos 6 tablas de valores y 6 gráficas de temperatura [ºC] contra tiempo [s]. Los puntos donde la pendiente cambia o se mantiene más o menos constante, son los que utilizaremos para trasladar a una nueva gráfica que representará las fases de las diferentes concentraciones a diferentes temperaturas. Así entonces, veamos los registros y las tablas para cada experimento:

Registro de Temperaturas y Tiempos


Muestra: A.

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Muestra: B.

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Muestra: C.

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Muestra: D.

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Muestra: E.

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Muestra: F.

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Diagramas de Temperatura [ºC] – Tiempo [s]


Muestra: A.

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Muestra: B.

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Muestra: C.

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Muestra: D.

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Muestra: E.

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Muestra: F.

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Preparémonos pues para construir nuestro diagrama de fase. Como se muestra en el diagrama f.1 lo que se hace es proyectar al eje correspondiente a cada concentración los puntos de cambio de fase, o donde la pendiente de la gráfica cambia drásticamente. Después uniendo estos puntos se hallarán 3 zonas; la zona donde todo es líquido, la zona donde la solución es una combinación de líquido con sólido y la zona donde todo es sólido. Así mismo hallaremos dos curvas clave; “Sólidus” y “Líquidus”, las fronteras que separan las fases L+S de la sólida y L+S de la líquida respectivamente.

Construcción del Diagrama de Fase

Observa cómo las curvas son el resultado de la proyección de los puntos clave (donde la pendiente cambia, es decir donde empieza o termina un cambio de fase) en los ejes correspondientes a cada concentración. Limpiando las líneas auxiliares y definiendo las zonas tenemos:

¿Qué podemos interpretar de este diagrama?, ¿Para qué sirve un Diagrama de Fase?

Los Diagramas de Fase sirven para el estudio de soluciones a diferentes composiciones en diferentes temperaturas. Podemos asegurar, por ejemplo, que una solución de 50% Naftalina (α) y 50% β-Naftol (β ) a una temperatura de 50 [ºC] se encuentra en fase sólida es importante recalcar que “Fase” no es lo mismo que “estado” esto se muestra claramente cuando nos preguntamos en qué Fase se encuentra esta misma solución a 97 [ºC] entonces guiados por el diagrama diremos que está en una Fase “L+S”, decir que su estado es “L+S” sería incorrecto puesto que los estados de la materia son 3 (como en secundaria) Sólido, Líquido y Gas.
En realidad nosotros no elaboramos diagramas de fase, nuestra misión de ingenieros es saber interpretarlos. Pero saber cómo se construyen es de total utilidad para su interpretación.
Cabe señalar que en este ejemplo (50% Naftalina (α) y 50% β-Naftol (β )) usamos concentraciones que ni siquiera experimentamos, los resultados ya son deducciones del diagrama que construimos experimentalmente.

Reflexiones Teóricas y Conclusiones

Un Diagrama de Fase es producto del equilibrio energético en el proceso de cambiar de fase de la muestra, o el proceso de cambiar de estado de cada sustancia involucrada. Podemos pensar en la mezcla como un sistema termodinámico abierto cuya frontera real es la probeta y una frontera imaginaria es el límite de la sustancia misma, además hay un termómetro de por medio y aire. En el segundo “0”, empieza a disminuir la temperatura y mantiene una disminución más o menos constante hasta cierto tiempo, después hay un periodo de tiempo donde la temperatura parece sólo variar mínimamente, esto se explica pensando en que la energía del sistema está siendo “utilizada” para cambiar de estado. Si fuese una sustancia pura, la línea que representa la temperatura sería completamente horizontal, al ser una mezcla de x% Nafratlina (α) , y% β-Naftol (β ) la línea no es horizontal pues estas sustancias tienen diferentes puntos de fusión. Y la energía del sistema se “gasta” de manera diferente. Después de este periodo de tiempo, la disminución en temperatura con respecto al tiempo, vuelve a ser más o menos constante. Lo que físicamente representa una nueva fase. Este fenómeno se observa en todos y cada uno de los diagramas para cada muestra. Y el resultado de proyectar estos puntos importantes en un nuevo diagrama, nos muestra cómo es y en qué líneas y zonas está el equilibrio energético (termodinámico) correcto. Por una cuestión de equilibrio energético podemos asegurar que, por ejemplo, una muestra de 50% Nafratlina (α) y 50% β-Naftol (β ) jamás estará en estado líquido a 50 [ºC].
Lo que es congruente con nuestras observaciones.

Pero no todo en la vida es felicidad…
Veamos cómo se ve un diagrama de fase ideal (este es un diagrama de fase de una aleación cobre-níquel) :
¿No se parece demasiado o sí?
¿Por qué?
¿Hicimos algo mal?
Si reflexionamos que un Diagrama de Fase es el resultado directo del correcto equilibrio energético quiere decir que si no nos salió como se esperaba algo hicimos mal. La pregunta es si este error es aceptable. Será aceptable si es algo que no podemos remediar con los medios disponibles y será inaceptable si es un error humano o de conceptos.
Pienso que las curvas imperfectas del diagrama resultante y la separación en los puntos de fusión obedecen a que el sistema termodinámico tenía fronteras diatérmicas, ¿cómo esperamos ver una diagrama perfecto, si parte de la energía sale del sistema en forma de calor y se pierde en entorno?
No es muy difícil utilizar un termómetro, supongamos que eso no fue problema y que las medidas fueron tomadas con una precisión aceptable. Lo que siempre hay que pensar es en la presencia tanto del termómetro como de las partículas de aire que se mezclaron entre los granos. No había manera de reducir o eliminar estos factores, por lo que concluyo que los resultados obtenidos son aceptables.
Para el alcance que tenía esta práctica quedo satisfecho con lo experimentado y lo reportado.






Gabriel mayo 13, 2013 a las 20:09

Muy buen articulo, explicado a perfección, la primera pagina que encuentro que vale la pena!!

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sergiortellez noviembre 10, 2013 a las 8:39

Muchas gracias, me alegra que te sirviera. Trataré de seguir subiendo asuntos relacionados con la ingeniería.

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Fernanda Santiago noviembre 7, 2013 a las 17:20

Muy bue trabajo, explicación con claridad

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sergiortellez noviembre 10, 2013 a las 8:40

Muchas gracias, saludos.

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