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Diagrama de fases

Son representaciones gráficas de presión vs. temperatura, a las que las fases sólida, líquida y gaseosa de una sustancia existen. En esta representación se incluye la variación de presión de vapor del sólido y del líquido, y la variación de la temperatura de fusión con la presión.

Los siguientes diagramas corresponden al dióxido de carbono y al agua, en estas representaciones se observan las condiciones de existencia de una sola fase que son las zonas delimitadas por las líneas de equilibrio S-G, S-L, L-G; la existencia de dos fases para las condiciones de P y T a las que existen dichas líneas; y el punto donde confluyen todas las líneas de equilibrio, denominado punto triple, que indica las condiciones de presión y temperatura donde coexisten las tres fases o estados físicos.

Diagrama de fases para CO2

Si se observan estas representaciones, se deduce que por debajo del punto triple no existe la sustancia en fase líquida, y a la presión atmosférica, el CO2 sublima por encima de -78ºC. A diferencia del agua su curva de equilibrio de fusión-congelación tiene pendiente positiva, porque el CO2, al igual que prácticamente el resto de las sustancias, aumenta de volumen al fundirse. En un planeta cuya presión atmosférica fuese mayor que 5,1 atm terrestres, los habitantes podrían nadar en lagos de dióxido de carbono líquido. A una presión, Pc, superior a 72,8 atm y a una temperatura, Tc, de 31ºC, (punto crítico), donde finaliza la línea de equilibrio L-V, desaparece la distinción entre líquido y gas, y solo existe una fase fluida, es decir por mucho que se comprima el gas este no se puede licuar.

Diagrama de fases para el agua

Observando el diagrama para el agua, al ser su fase sólida menos densa que la líquida, (el hielo flota en el agua), esto quiere decir, que está más favorecida la fase líquida a presiones elevadas, (un aumento de la presión favorece siempre la fase más densa) o que el punto de fusión disminuye al aumentar la presión, por tanto la curva S-L tiene pendiente negativa, es por esto que el hielo funde aplicando presión, mientras que el estado líquido de casi todas las demás sustancias solidifica por compresión.

La intersección de la línea P = 1 atm con la curva de equilibrio S-L, da, para el hielo el P.F. de 0ºC, y la intersección con la curva L-G, da, el P.E. del agua, 100ºC.

La distinción entre líquido y gas en el caso del agua, desaparece por encima de la Pc = 218 atm.

Un diagrama de fases no solamente sirve para determinar el estado físico en el que se encuentra una sustancia a una presión y temperatura dadas, sino también para predecir los cambios que tienen lugar cuando cambian las condiciones.

* Utilizando el diagrama de fases para el agua, describir lo que ocurre cuando el agua a -25ºC y 1 torr (0,0013 atm), se calienta hasta +25ºC y a continuación se comprime hasta 2 atm.

Solución: Inicialmente fase sólida, al calentar se pasa la línea S-V y el sólido sublima, por tanto a +25ºC se encuentra en fase vapor; cuando se aumenta la presión hasta 2 atm el vapor condensa se pasa a la zona líquida, una vez que se sobrepasa en la línea L-V la presión de 23,8 torr (0,0313atm), (véase tabla de presión de vapor del agua en función de la temperatura).

En los diagramas de fases se puede observar que las zonas de existencia de una sola fase sólida, líquida o gas aparecen como áreas delimitadas por las respectivas líneas de equilibrio, en el interior de estas áreas se pueden variar la presión o la temperatura independientemente; las condiciones en las cuales se encuentran en equilibrio dos fases, aparecen como líneas o curvas en el diagrama de fases, únicamente se puede modificar una variable, presión o temperatura mientras se mantenga el equilibrio entre las dos fases, es decir, para una temperatura específica , la presión queda fijada y viceversa.

En el punto triple no hay ningún grado de libertad dado que ni la P ni la T se pueden variar, pues desaparecería la coexistencia de las tres fases.

Gibbs resumió este comportamiento en la regla de las fases:

Si lo aplicamos al caso de las curvas de equilibrio:

L + 2 = 1 + 2, L = 1, tal como se indica con anterioridad, donde se pude variar o la presión o la temperatura, pero no, las dos a la vez.

Comprobar los grados de libertad para las zonas donde existe una sola fase, y para el punto triple.