Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño

Extensión Porlamar

Análisis Crítico sobre diagrama de fases

(Operaciones unitarias 2)

Realizado por:

Estefany Rosales

Sección: 3A

Profesor: Lic. Julián Carneiro

Ingeniería Química

Porlamar, agosto 2015

Los diagramas de Fase son un producto del equilibrio energético

en el proceso de cambiar una fase de la muestra o el proceso de

cambiar de estado de cada sustancia involucrada donde básicamente es

la combinación de muchos de los materiales sólidos que son un conjunto

de estructuras con propiedades físicas que son útiles para nuestro

entorno y nos ayudan a formar parte en la función de una composición y

sirven para el estudio de soluciones a diferentes composiciones en

diferentes temperaturas.

Los diagramas de fase están muy relacionados a la ciencia de los

materiales la cual surgió después de la Segunda Guerra Mundial, como

respuesta a la necesidad de producir materiales con propiedades

especializadas. Los primeros intentos de modificar científicamente las

propiedades de la materia se remontan a principios del siglo pasado,

cuando los conocimientos de cristalografía, estado sólido y física

atómica convirtieron el arte de la metalurgia en ciencia. De allí parte la

creación de nuevas aleaciones, como el acero, que es el resultado de las

aleaciones de hierro y carbono en diferentes proporciones.

Estos permiten conocer los diferentes tipos de estados de un

material, los cuales son sistemas que van en función de todas las fases

de cambios que representan determinadas condiciones de presión,

temperatura y composición. A partir de los diagramas de fase se puede

obtener información como; conocer que fases están presentes a

diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de

enfriamiento lento (Equilibrio), averiguar la solubilidad, en el estado

sólido y en el equilibrio, de un elemento (Compuesto) en otro,

determinar la temperatura en la cual una aleación enfriada bajo

condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la

cual ocurre la solidificación, conocer la temperatura a la cual comienzan

a fundirse diferentes fases.

Po otro lado la regla de la palanca no es más que una herramienta

que determina el porcentaje en peso de cada fase en un diagrama de

fases binario. Se usa para determinar el porcentaje en peso de las fases

líquida y sólida de un sistema binario composición-temperatura entre

líquido y sólido. En regiones de una sola fase, la cantidad de

la fase simple es 100%. Al igual que la regla de Gibbs describe los

grados de libertad que posee el sistema dependiendo del tipo de

variables que consideremos.

En otro concepto de ideas la ebullición y la congelación son

ejemplos de cambios de fase que ocurren sin ningún cambio en la

composición, es decir la tendencia del sistema a temperatura y presión

constantes a desplazarse hacia valores menores de la función de Gibbs

de un sistema es la misma que el potencial químico, de forma que la

tendencia de cambio es en la dirección de la disminución del potencial

químico, esto es, estas formas alternas de expresar la dirección se

originan todas en la tendencia del universo a un desorden mayor, por lo

que la entropía del mismo aumenta. La función de Gibbs y el potencial

químico no son otra cosa que la entropía total encubierta.

Podemos concluir diciendo que cualquier sustancia puede existir

en más de un estado o fase de la materia. El equilibrio entre las fases es

dinámico; esto es, que existe una transferencia continúa de partículas

de una fase a la otra. El equilibrio en este sistema dinámico se presenta

cuando la velocidad de transferencia entre las fases es similar. El

cambio de la materia de un estado a otro se denomina cambio de fase.

Las conversiones de un sólido a líquido (fusión), de un sólido a gas

(sublimación), o de un líquido a gas (vaporización) son todos procesos

endotérmicos; es decir, que la entalpía de la fusión, sublimación o

vaporización es positiva. El proceso inverso, la conversión de un líquido

a sólido (congelación), de un gas a sólido (deposición) o de un gas a

líquido (condensación) son todos procesos exotérmicos, en esta forma

los cambios de entalpía para estos procesos son negativos.

Ejercicios

1. La figura muestra el diagrama de fases de las aleaciones binarias de

CobreNíquel. Las resistencias del Cobre puro, Níquel puro y Metal

Monel (70%Ni-30%Cu), que representa la aleación con mayores

características mecánicas de este sistema, son las siguientes: RNi =

34 MPa RCu = 17 MPa RMonel = 47 MPa Estima la carga de rotura

que tendrá una pieza de aleación 60%Ni- 40%Cu obtenida en un

proceso de colada sabiendo que la temperatura de solidus de la

aleación medida en el proceso es de 1200°C.

SOLUCIÓN: Para una aleación 60%Ni- 40%Cu, se tiene una

temperatura de sólidus de 1200°C significa que la aleación ha sufrido

segregación dendrítica, lo que implica que el último líquido que

solidificará tendrá una composición, según el diagrama de equilibrio, del

20% de Ni, y por lo tanto será la resistencia mecánica correspondiente a

este porcentaje en níquel la que caracterizará la resistencia mecánica de

toda la aleación. Esta resistencia se obtendrá de la gráfica linealizada

del comportamiento de las aleaciones Cu-Ni, o bien interpolando entre la

resistencia del cobre puro y la del monel, de esta forma obtenemos que

la resistencia de la aleación será de 25.6 MPa

2. Construir el diagrama de fases del sistema Plomo-Antimonio y

completar las fases presentes en el mismo.

*Temperatura de fusión del plomo = 328°C

*Temperatura de fusión del antimonio = 631°C

*Composición eutéctica, 11 % de antimonio.

*Solubilidad del antimonio en plomo: máxima de 4% a 252°C nula a

25°C

*Solubilidad del plomo en antimonio: máxima de 5% a 252°C 2% a

25°C

SOLUCIÓN: La construcción del diagrama de fases puede

observarse en la figura donde cabe señalar la presencia del eutéctico

con el porcentaje del 11% cuya temperatura de transformación es de

252°C. En el mismo diagrama se han representado las diferentes

zonas con sus fases correspondientes, principalmente, las zonas de

líquido, líquido + fase , líquido más fase , zona monofásica , zona

monofásica , y zona bifásica + , que se divide en dos zonas, una

hipoeutéctica (E + ) y otra hipereutéctica (E + ).

3. Haciendo uso del diagrama Bi - Sb. Calcular para una aleación con 45 % de Sb:

a) Transformaciones que experimenta al enfriarse lenta-mente desde el

estado líquido hasta la temperatura ambiente.

b) Dibújese la curva de enfriamiento.

c) * Si el enfriamiento no se verifica en condiciones de equilibrio, ¿cuál

será la máxima diferencia de concentración entre el centro de un grano

y su periferia?

d) ¿A qué temperatura habrá un 50 % de aleación en estado líquido?

e) Porcentaje de las fases a 400°C.

Solución:

a) Por encima de 510°C se encuentra en estado líquido (1 fase); por

debajo de 350°C todo es solución sólida (1 fase); entre 510° y 350°C

coexisten líquido y solución sólida (2 fases).

b) La curva de enfriamiento aparece representada junto al diagrama.

c) Al formarse un grano no homogéneo, las concentración de Sb varía

desde el 87.5 % (primera solidificación) hasta el 10 % (final de la

solidificación) para la concentración considerada.

d) Cuando esto ocurre Líquido/Sólido = 1, es decir, los segmentos a y b

deben de ser iguales. Esto ocurre a 415°C. (Solución gráfica).

e) Líquido + Solución sólida a = 100 Líquido (45 - 20) = a (65- 45),

luego: Líquido = 44.4 % a = 55.6 %