Equilibrio de Fases de un componente

EquilibrioLas variables que describen un sistema que está en equilibrio no cambian con el tiempo.

Un sistema está en equilibrio si, y solo si, está en un estado desde el cual no es posible ningún cambio sin que haya cambios netos en el ambiente.

ctas. con el tiempo

U, H, A y G

¿Como se alcanza el equilibrio material entre fases?

Equilibrio material

2da ley de la termodinámica

Procesos posibles o

no?

S disminuyeS aumenta

Equilibrio material.

En cada fase el # de

moles no varia

Equilibrio Químico

Equilibrio de Fases

Equilibrio con respecto al

transporte de materia entre faces

si cambio entre ellas.

El equilibrio de fases y las transiciones de fase aparecen con mucha frecuencia en nuestro entorno:

Equilibrio de fases

Ebullición del agua en un recipiente

Fusión de los glaciares en la

Antártica

Ciclo del aguaVaporización

Condensación

Transiciones de fase en el

laboratorio y en la industria.

Destilación, Precipitación, Cristalización

¿Cual es la importancia del equilibrio entre fases?

Equilibrio de fases Variables de importancia en el equilibrio de fases:

Temperatura

Presión

Naturaleza química

Composición

La temperatura, presión, composición son variables termodinámicas.

Termodinámica del equilibrio de fases

Equilibrio de Fases Hasta ahora se ha considerado:

Materiales y mezclas puras que forman soluciones.Equilibrios (liquido – solido).

Materiales miscibles (no pueden ser separados en dos faces)

¿Y los sistemas que forman una o mas faces?

Diagramas Equilibrio de fases

Un diagrama de faces es una grafica que presenta el comportamiento de las faces para uno o mas componentes en función de la T y X o P y X

El diagrama de fases de un sistema de un componente muestra la región de temperatura y presión en la que es estable cada una de las diferentes fases de una sustancia.

Como la condición de equilibrio a T y P constantes implica la minimización de la energía de Gibbs (G), la fase más estable de una sustancia a T y P dadas es la fase que tenga el valor más pequeño de Gm = µ. (Para una sustancia pura, Gm = µ.)

Definiciones y Sistemas de un componente

Fase. una porción homogénea de un sistema (química y físicamente uniforme en su totalidad).

2 Fases

Componente. Es una variable química independiente la cual es agregada a un sistema sin alterar la cantidad de otro componente ya presente.

Especie. Cualquier agregación molecular

Grados de libertad: numero de variables intencivas de un sistema (T,P y X)

Regla de las fasesUn sistema puede tener varias fases sólidas y varias fases líquidas, pero normalmente tiene como mucho una sola fase gaseosa.

Para describir el estado de equilibrio de un sistema con varias fases y diversas especies químicas, podemos especificar el número de moles de cada especie en cada una de las fases, además de la temperatura y la presión, T y P.

La masa o tamaño de cada fase no afecta la posición del equilibrio de fases, ya que ésta viene determinada por la igualdad de potenciales químicos, que son variables intensivas

En términos generales la regla de las faces nos dice cuantas variables son permitidas para un sistema con un numero dado de fases.

Regla de las fases

Consideraremos las fracciones molares de las distintas especies en cada fase, en lugar del número de moles.

La fracción molar de una especie j en la fase α

número de moles de sustancia j en la fase α

número total de moles de todas las sustancias (j incluida) en la fase α

Se define como grado de libertad (o la varianza) L de un sistema en equilibrio como el numero de variables intensivas, como temperatura, presión y concentración, que puede variar de manera independiente sin que cambie de fases.

Es conveniente hacer dos suposiciones:

1) No ocurre ninguna reacción

2) todas las especies químicas se encuentran presentes en todas las faces

Sea C el número de especies químicas diferentes presentes en el sistema, y sea F el número de fases presentes. Según la suposición 2, existen C especies químicas en cada fase, y por lo tanto tenemos un total de FC fracciones molares. Añadiendo T y P, tenemos

FC + 2 …………………..……………………… (1)

Donde el termino 2 es para las dos variables, temperatura y presión.

Equilibrio de fases en sistemas de un componente

Sustancias puras

variables intensivas para describir el estado intensivo del sistema en equilibrio. Sin embargo, no todas estas FC + 2 variables son independientes; existen relaciones entre ellas.

En primer lugar, la suma de las fracciones molares en cada fase ha de ser igual a 1:

…………………………… (2)

Como la relación entre las fracciones molares es respecto a cada fase, nos dará en total F ecuaciones como está. Utilizando estas ecuaciones para despejar eliminando de esta forma F variables intensivas.

Las condiciones de equilibrio para los equilibrios térmico y mecánico, se aplican al tomar la misma T y la misma P en cada fase. Para el equilibrio material, los potenciales químicos han de cumplir las condiciones del equilibrio de fases siguientes :

……………… (3)

……………… (4)

………………(5)

Este juego de ecuaciones proporciona el criterio básico

del equilibrio entre fases

Como hay F fases, incluye signos de igualdad, por tanto F-1 ecuaciones independientes. Como existen C especies químicas diferentes, hay un total de C(F-1) signos de igualdad en el conjunto de ecuaciones comprendidas entre la 3 y la 5,. Por lo tanto tenemos C(P-1) relaciones independientes entre potenciales químicos.

De acuerdo con la ecuación 1 con FC +2 variables intensivas. Eliminamos F de las utilizando la ecuación 2 con FC+2 mas utilizando ecua. 3 a ecua.5. entonces, el número de variables intensivas independientes ( # de grados de libertas L) es

L= FC+2-F-C(F-1)

L= C-F+2 sin reacciones……………………………………...(6)