Una sección importante de la termodinámica es el estudio de las transformaciones entre distintas fases de una sustancia, ya que estos procesos ocurren en la práctica y son de fundamental importancia para predecir el comportamiento de un sistema bajo ciertas condiciones. Estas transformaciones se denominan transiciones de fase, a las que está dedicado el artículo.
El concepto de fase y componente del sistema
Antes de proceder a la consideración de las transiciones de fase en física, es necesario definir el concepto de fase en sí. Como se sabe por el curso de física general, existen tres estados de la materia: gaseoso, sólido y líquido. En una sección especial de la ciencia, en la termodinámica, las leyes se formulan para las fases de la materia, y no para sus estados de agregación. Se entiende por fase un cierto volumen de materia que tiene una estructura homogénea, se caracteriza por unas propiedades físicas y químicas específicas y está separado del resto de la materia por fronteras, que se denominan interfases.
Por lo tanto, el concepto de "fase" contiene mucha más información práctica significativa sobre las propiedadesmateria que su estado de agregación. Por ejemplo, el estado sólido de un metal como el hierro puede estar en las siguientes fases: cúbica centrada en el cuerpo (BCC) magnética de baja temperatura, bcc no magnética de baja temperatura, cúbica centrada en la cara (fcc) y cúbica centrada en el cuerpo (fcc) de alta temperatura. temperatura no magnético bcc.
Además del concepto de "fase", las leyes de la termodinámica también utilizan el término "componentes", que significa el número de elementos químicos que componen un sistema en particular. Esto significa que la fase puede ser monocomponente (1 elemento químico) o multicomponente (varios elementos químicos).
Teorema de Gibbs y equilibrio entre fases del sistema
Para entender las transiciones de fase, es necesario conocer las condiciones de equilibrio entre ellas. Estas condiciones se pueden obtener matemáticamente resolviendo el sistema de ecuaciones de Gibbs para cada una de ellas, asumiendo que el estado de equilibrio se alcanza cuando la energía de Gibbs total del sistema aislado de la influencia externa deja de cambiar.
Como resultado de resolver el sistema de ecuaciones indicado, se obtienen condiciones para la existencia de equilibrio entre varias fases: un sistema aislado dejará de evolucionar solo cuando las presiones, los potenciales químicos de cada componente y las temperaturas en todas las fases son iguales entre sí.
Regla de las fases de Gibbs para el equilibrio
Un sistema que consta de varias fases y componentes puede estar en equilibrio no solobajo ciertas condiciones, por ejemplo, a una temperatura y presión específicas. Algunas de las variables en el teorema de equilibrio de Gibbs se pueden cambiar manteniendo tanto el número de fases como el número de componentes que están en este equilibrio. El número de variables que se pueden cambiar sin perturbar el equilibrio del sistema se denomina número de libertades de este sistema.
El número de libertades l de un sistema que consta de f fases y k componentes se determina de forma única a partir de la regla de fase de Gibbs. Esta regla se escribe matemáticamente de la siguiente manera: l + f=k + 2. ¿Cómo trabajar con esta regla? Muy simple. Por ejemplo, se sabe que el sistema consta de f=3 fases de equilibrio. ¿Cuál es el número mínimo de componentes que un sistema de este tipo puede contener? Puede responder a la pregunta razonando de la siguiente manera: en el caso del equilibrio, las condiciones más estrictas existen cuando se realiza solo en ciertos indicadores, es decir, un cambio en cualquier parámetro termodinámico conducirá a un desequilibrio. Esto significa que el número de libertades l=0. Sustituyendo los valores conocidos de l y f, obtenemos k=1, es decir, un sistema en el que tres fases están en equilibrio puede constar de un componente. Un buen ejemplo es el punto triple del agua, donde el hielo, el agua líquida y el vapor existen en equilibrio a temperaturas y presiones específicas.
Clasificación de las transformaciones de fase
Si comienzas a cambiar algunos parámetros termodinámicos en un sistema en equilibrio, puedes observar cómo desaparece una fase y aparece otra. Un ejemplo simple de este proceso es el derretimiento del hielo cuando se calienta.
Dado que la ecuación de Gibbs depende solo de dos variables (presión y temperatura), y la transición de fase implica un cambio en estas variables, entonces matemáticamente la transición entre fases se puede describir diferenciando la energía de Gibbs con respecto a su variables Fue este enfoque el que utilizó el físico austriaco Paul Ehrenfest en 1933, cuando compiló una clasificación de todos los procesos termodinámicos conocidos que ocurren con un cambio en el equilibrio de fase.
De los fundamentos de la termodinámica se deduce que la primera derivada de la energía de Gibbs con respecto a la temperatura es igual al cambio en la entropía del sistema. La derivada de la energía de Gibbs con respecto a la presión es igual al cambio de volumen. Si al cambiar las fases del sistema, la entropía o el volumen sufren un quiebre, es decir, cambian bruscamente, entonces se habla de una transición de fase de primer orden.
Además, las segundas derivadas de la energía de Gibbs con respecto a la temperatura y la presión son la capacidad calorífica y el coeficiente de expansión volumétrica, respectivamente. Si la transformación entre fases va acompañada de una discontinuidad en los valores de las cantidades físicas indicadas, entonces se habla de una transición de fase de segundo orden.
Ejemplos de transformaciones entre fases
Hay una gran cantidad de transiciones diferentes en la naturaleza. En el marco de esta clasificación, ejemplos sorprendentes de transiciones del primer tipo son los procesos de fusión de metales o la condensación de vapor de agua del aire, cuando hay un s alto de volumen en el sistema.
Si hablamos de transiciones de segundo orden, entonces ejemplos llamativos son la transformación del hierro de un estado magnético a uno paramagnético a una temperatura768 ºC o la transformación de un conductor metálico a un estado superconductor a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Ecuaciones que describen transiciones de primer tipo
En la práctica, a menudo es necesario saber cómo cambian la temperatura, la presión y la energía absorbida (liberada) en un sistema cuando se producen transformaciones de fase en él. Para este propósito se utilizan dos ecuaciones importantes. Se obtienen en base al conocimiento de los fundamentos de la termodinámica:
- Fórmula de Clapeyron, que establece la relación entre presión y temperatura durante las transformaciones entre distintas fases.
- Fórmula de Clausius que vincula la energía absorbida (liberada) y la temperatura del sistema durante la transformación.
El uso de ambas ecuaciones no es solo para obtener dependencias cuantitativas de cantidades físicas, sino también para determinar el signo de la pendiente de las curvas de equilibrio en los diagramas de fase.
Ecuación para describir transiciones de segundo tipo
Las transiciones de fase de primer y segundo tipo se describen mediante diferentes ecuaciones, ya que la aplicación de las ecuaciones de Clausius y Clausius para las transiciones de segundo orden genera incertidumbre matemática.
Para describir esto último se utilizan las ecuaciones de Ehrenfest, que establecen una relación entre los cambios de presión y temperatura a través del conocimiento de los cambios en la capacidad calorífica y el coeficiente de expansión volumétrica durante el proceso de transformación. Las ecuaciones de Ehrenfest se utilizan para describir las transiciones conductor-superconductor en ausencia de un campo magnético.
Importanciadiagramas de fase
Los diagramas de fase son una representación gráfica de áreas en las que las fases correspondientes existen en equilibrio. Estas áreas están separadas por líneas de equilibrio entre las fases. A menudo se utilizan los diagramas de fase P-T (presión-temperatura), T-V (temperatura-volumen) y P-V (presión-volumen).
La importancia de los diagramas de fase radica en que permiten predecir en qué fase estará el sistema cuando las condiciones externas cambien en consecuencia. Esta información se utiliza en el tratamiento térmico de varios materiales para obtener una estructura con las propiedades deseadas.
