Curva de enfriamiento

Equilibrio de fases en sistemas de un componente

     Los gases saturados, también conocidos como vapores saturados, son aquellos que se presentan a presiones y temperaturas en las cuales el vapor (gas) y el agua (liquido) pueden coexistir juntos. En otras palabras, esto ocurre cuando el rango de vaporización del agua es igual al rango de condensación. 

     El vapor saturado se utiliza en multitud de procesos industriales difícil de señalar de un vistazo, pues interviene en procesos físicos y químicos, en la obtención de múltiples elementos, existen diferentes propiedades que deben considerarse al momento de utilizar los vapores o gases saturados, entre estas se encuentran:

• Presentan un calentamiento equilibrado a través de la transferencia de calor latente y rapidez.
• La presión es capaz de controlar la temperatura. 
• Presentan un elevado coeficiente de transferencia de calor.

     Ahora bien, conocida la formula de un compuesto químico, es posible conocer de manera teórica el porcentaje de masa de cada elemento que esta presente en dicho compuesto químico. También es importante saber que a través de la composición porcentual de un compuesto, es posible conocer la formula empírica del mismo. 

     Los sistemas con un componente se caracterizan por mostrar la región de temperatura y presión en la que es estable cada una de las diferentes fases de una determinada sustancia. Es de suma importancia comprender el equilibrio de fases, así como las transiciones de fases ya que estas se encuentran con mucha frecuencia en la vida cotidiana, tales como la ebullición del agua en una tetera, a fusión de los glaciares en la Antártida, de igual manera esta presente en el ciclo del agua con la evaporación. En la industria también tiene diferentes aplicaciones como por ejemplo en procesos como la destilación, cristalización y precipitación de gases en los catalizadores sólidos.

     Antes de hablar sobre la regla de las fases existen conceptos fundamentales que se deben conocer para comprender mejor esta ley, primeramente una fase se define como una porción homogénea de un sistema, los cuales a menudo pueden tener varias fases solidas o liquidas pero como mucho tienen una fase gaseosa. Mientras que el otro concepto es de los grados de libertad, también conocidos como varianza del sistema, que se define como la cantidad de variables intensivas, que son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia presente, tales como la temperatura, presión y concentración, que pueden variar de manera independiente sin que cambie el numero de fases. Cuando un sistema tiene un grado de libertad, se dice que es univaribale, si tiene 2 grados de libertad es bivariable y así sucesivamente. 

     La regla de gases, fue deducida teóricamente por J. Willard Gibbs en 1875, y supone que el equilibrio entre las fases no depende de la gravedad, las fuerzas eléctricas, fuerzas magnéticas o fuerzas superficiales, sino solamente la presión, temperatura y su composición química. La regla de fases esta expresada como: F = c - p + 2, donde:

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

     Los diagramas de fases, Son representaciones gráficas de las fases que están presente en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones.De los diagramas de fases se puede obtener la siguiente información:

• Mostrar que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas
• Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y el rango de temperatura en el que se presenta la solidificación.
• Conocer la temperatura a la cual fases diferentes comienzan a fundir.

    La ecuación de Clapeyron, se caracteriza por dar la pendiente dP/dT de las lineas de equilibrio entre dos fases en el diagrama de fases P-T para un sistema de un componente. Para deducir dicha ecuación, se consideran dos puntos (1) y (2) infinitamente próximos sobre una de las lineas en la figura.  Es considerada una forma de caracterizar el cambio de fases entre un liquido y solido. Esta dada por: 

Donde dP/dT es la pendiente de dicha curva, ΔH es el calor latente o entalpia del cambio de fase y ΔV es el volumen.

Existen diferentes consideraciones para esta ecuación, algunas de estas son: 

• En un cambio de fase líquido-vapor, tanto ΔH como ΔV son positivos, por tanto la pendiente de la línea de equilibrio líquido-vapor es positiva. Lo mismo sucede con la línea sólido-vapor.
• En el cambio de fase sólido-líquido ΔV es mucho menor que en los cambios de fase sólido-gas o líquido-gas. Por esta razón la pendiente en el primer caso es mucho mayor que en los últimos.  

     La ecuación de Clausius-Clapeyron sólo es aplicable para obtener la presión de vapor de un sólido o un líquido a una cierta temperatura, conocido otro punto de equilibrio entre las fases

     La presión de vapor, es la presión que se presenta cuando un solido o liquido de un sistema se halla en equilibrio con su vapor. La regla de fases establece que la presión de vapor de un liquido es función única de la temperatura de saturación, al hacer la suposición de que el gas se comporta como gas ideal, la ecuación de Clapeyron se transforma en: 

     Por otro lado se tiene que el punto de ebullición normal, es la temperatura a la cual la presión de vapor del liquido es a 1 atm.