Diagrama de fases

Na Química Física, Mineraloxía, e Ciencia dos materiais, un diagrama de fases é un tipo de gráfica usada para mostrar condicións equilibrio termodinámico entre diferentes fases. En matemáticas e física, un diagrama de fases tamén ten un significado distinto, como sinónimo de phase space.

Diagramas de fases para un só composto

Diagramas de fases bidimensionais (2D)

Diagramas Presión-temperatura

Un diagrama de fases típico. A liña de puntos indica o comportamento anormal da auga. As liñas verdes amosan o punto de conxelación e as azuis o de punto de ebulición, e como varían coa presión.

Os diagramas de fases máis sinxelos son os diagramas presión-temperatura para unha única substancia, como a auga. Os eixos corresponden á presión e á temperatura. O diagrama de fases amosa, no espazo presión-temperatura, as liñas de equilibrio ou límites de fase entre as tres fases sólido, líquido, e gas.

As marcas no diagrama de fases indican os puntos onde a enerxía libre non é analítica. Os espazos abertos, onde a enerxía libre é unha función analítica, corresponde ás fases. As fases están separadas por liñas, onde ocorren os cambios de fase, que son os chamados límites de fase.

No diagrama da esquerda, o límite entre as fases líquida e gasosa non continúan indefinidamente. En troques, este remata nun punto do diagrama de fases chamado punto crítico. Isto reflicte o feito de que, a presións e temperaturas moi elevadas, as fases líquida e gasosa vólvense indistinguibles, o que é coñecido como fluído supercrítico. Na auga, o punto crítico está en torno 647 K (374 °C ou 705 °F) e 22.064 MPa.

A existencia do punto crítico entre líquido e gas revela unha pequena ambigüidade nas definición de enriba. Cando cambiamos da fase líquida á gasosa, normalmente cruzase o límite de fase, pero é posible escoller un camiño que nunca cruce o límite indo pola dereita do punto crítico. Polo tanto, as fases líquida e gasosa poden mesturarse continuamente unha na outra. Porén, o límite entre as fases líquida e sólida só pode rematar nun punto crítico, deste xeito ámbalas dúas fases teñen o mesmo grupo simétrico.

Obsérvese que o límite entre as fases sólida e líquida no diagrama de fases ten pendente positiva para a maioría das substancias. Isto é debido a que a fase sólida ten unha maior densidade que a líquida, así que incrementando a presión tamén aumenta o punto de fusión; a temperatura á cal unha substancia se funde. Nalgúns lugares do diagrama de fases para a auga o límite entre as fases sólida e líquida ten unha pendente negativa (especialmente aquela correspondente á zona de presión standard). Isto reflicte o feito de que o xeo ten menor densidade que a auga, o cal é unha propiedade infrecuente para un material.

Outras propiedades termodinámicas

Diagrama de fases Temperatura vs. entropía específica para auga/Vapor de auga. Ademais da temperatura e da presión, outras propiedades termodinámicas poden representarse en diagramas de fases. Coma o volume específico, entalpía específica, ou entropía específica. Por exemplo, gráficas de temperatura vs. entropía específica para compostos sinxelos (T vs. s) para auga/vapor de auga ou para un refrixerante son normalmente usadas para ilustrar ciclos termodinámicos coma o ciclo de Carnot, o ciclo Rankine, ou o ciclo de Refrixeración por compresión de vapor. Nunha gráfica bidimensional, poden representarse dúas propiedades termodinámicas nos eixes horizontal e vertical. Outras propiedades pódense amosar en incrementos coma unha serie de liñas rectas, curvas ou unha combinación das dúas. Cada unha desas iso-liñas representa un valor constante dunha propiedade termodinámica dada. Na area debaixo da curva vermella, a auga líquida e o vapor coexisten en equilibrio. O Punto crítico é o punto máximo da curva. A auga líquida está á esquerda do domo e o vapor á dereita. As curvas/liñas azuis son isóbaras ó longo das cales a presión é constante. As curvas/liñas verdes son isocoras que amosan volume específico constante.

Diagramas de fases tridimensionais ( 3D)

É posible visualizar gráficos en tres dimensións ( 3D) que amosen tres variables termodinámicas. Por exemplo para un composto sinxelo, un sistema de eixes cartesianos en 3D pode representar a temperatura ( T ) nun eixe, a presión (P) nun segundo eixe, e o volume específico (v) no terceiro. Esta gráfica chámase ás veces diagrama P-v-T. As condicións de equilibrio represéntanse coma superficies curvas tridimensionais con áreas para as fases sólida, líquida e vapor e áreas onde as fases sólida e líquida, sólida e vapor ou líquido e vapor coexisten en equilibrio. Unha liña da superficie coñécese como liña tripla onde as fases sólida, líquida e vapor coexisten todas en equilibrio. O punto crítico permanece tamén coma un punto no diagrama en 3D. Unha Proxección ortográfica do diagrama P-v-T amosa a presión e a temperatura nos eixes vertical e horizontal cando colapsamos a gráfica 3D nun diagrama presión-temperatura bidimensional. Cando isto sucede, as superficies sólido-vapor, sólido-líquido e líquido-vapor aparecen coma as correspondentes curvas que se encontran no punto triplo, o cal é o colapso da proxección ortográfica da liña tripla.