Lara Rosete Erandi gpo. 32

Práctica #4- Equilibrio entre fases

ObjetivoElaborar e interpretar la información que proporcionan la regla de las fases de Gibbs y el diagrama de fases de una sustancia pura, así como la relación con la presión y temperatura y la ecuación de Clausius-Clapeyron.

Información previaLa regla de las fases de Gibbs nos define los grados de libertad que posee un sistema dependiendo de las variables que consideremos. Ésta establece la relación siguiente:

F = C - P + 2

donde   F = número de grados de libertad     C = número de componentes    P = número de fases presentes

Una fase es una porción homogénea de materia que posee las mismas propiedades, además de ser físicamente apreciable y mecánicamente separable; un componente es cada especie química diferente presente en el sistema; los grados de libertad de un sistema son el número de propiedades a las cuales es posible asignar un valor.

Un diagrama de fases es la representación gráfica de las variaciones de las propiedades macroscópicas de un sistema, en la cual las distintas regiones corresponden a diferentes estaos de agregación de la materia. Éste nos indica, dependiendo de nuestro sistema, en qué estado de agregación de la materia se encontrará dicha sustancia a ciertas condiciones de presión y temperatura y cómo podemos ir de un estado de agregación a otro modificando la presión y/o la temperatura.

La ecuación de Clapeyron es fundamental para una relación de equilibrio entre dos fases de una sustancia pura y expresa la dependencia cuantitativa de la temperatura de equilibrio con la presión o la variación de la presión de equilibrio con la temperatura.

 Partiendo de la ecuación anterior y reordenando se obtiene:

Ln(T2-T1) = ΔV · ΔPΔH

donde ΔV es el cambio de volumen, ΔH es la entalpía de cambio de estado y T y P son la temperatura y presión respectivamente.

Esta expresión sencilla proporciona la relación del cambio de presión al cambio de temperatura en términos de magnitudes fácilmente medibles tales como el volumen y el cambio de entalpía en el proceso.Se aplica a la fusión, la vaporización y la sublimación, así como a los equilibrios entre dos formas alotrópicas como el grafito y el diamante.Empleando esta ecuación, podemos representar de forma esquemática la presión de equilibrio en relación con la temperatura para cualquier transformación de fase.

La ecuación Clausius-Clapeyron es una forma de caracterizar el cambio de fases entre un líquido y el sólido. En un diagrama P-T (presión-temperatura), la línea que separa ambos estados se conoce como curva de coexistencia. La relación de Clausius-Clapeyron da la pendiente de dicha curva. Matemáticamente se puede expresar como:

donde dPdT

 es la pendiente de dicha curva, ΔH es el calor latente o entalpía del cambio de

fase y ΔV es el volumen.

El punto triple es aquel en el cual coexisten en equilibrio el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso de una sustancia. Se define con una temperatura y una presión de vapor.

Sustancia T (K) P (kPa)Acetileno 192,4 120Amoníaco 195,40 6,076Argón 83,81 68,9Grafito 3900 10100Dióxido de carbono 216,55 517Monóxido de carbono 68,10 15,37Deuterio 18,63 17,1Etano 89,89 8 × 10−4

Etileno 104,0 0,12Helio-4 2,19 5,1Hidrógeno 13,84 7,04Metano 90,68 11,7Nitrógeno 63,18 12,6Oxígeno 54,36 0,152Agua 273,16 0,61

Temperatura de fusión es la temperatura necesaria para que ocurra un cambio de estado sólido a líquido en una sustancia; temperatura de ebullición es la temperatura para que ocurra el cambio de líquido a gas. Cada sustancia, ya sea pura o no, posee un valor de temperatura de fusión y de ebullición propio.

La temperatura crítica es la temperatura límite por encima de la cual un gas miscible no puede ser licuado por compresión. Este valor es característico de cada sustancia. Las sustancias a temperaturas superiores a la crítica tienen un estado de agregación tipo gas, que tiene un comportamiento muy parecido al de un gas ideal.

La presión crítica es, a temperatura crítica, la más alta presión a la que una sustancia pura puede existir como líquido en equilibrio con su gas. Además es la mínima presión que debe ejercerse para licuar un gas a temperatura crítica.

La entalpía de fusión o calor de fusión (ΔHfus) es la cantidad de energía necesaria para hacer que un mol de un elemento que se encuentre en su punto de fusión pase del estado sólido al líquido, a presión constante. También es un calor latente ya que durante el proceso de cambio de estado no se da un cambio apreciable de temperatura. 

La entalpía de vaporización o calor de vaporización es la cantidad de energía necesaria para que la unidad de masa(kilogramo, mol, etc.) de una sustancia que se encuentre en equilibrio con su propio vapor a una presión de una atmósfera pase completamente del

estado líquido al estado gaseoso. Se representa por   , por ser una entalpía. El valor disminuye a temperaturas crecientes, lentamente cuando se está lejos del punto crítico, más rápidamente al acercarse, y por encima de la temperatura crítica las fases de líquido y vapor ya no coexisten. Generalmente se determina en el punto de ebullición de la sustancia y se corrige para tabular el valor en condiciones normales.

Bibliografíahttp://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica1/gibbs.htmhttp://apuntescientificos.org/fases-gibbs-qfi.htmlhttp://www.sabelotodo.org/termicos/diagramadefases.htmlhttp://datateca.unad.edu.co/contenidos/201604/201604_Modulo_exe/exefiscoq28enero/leccin_no_4__ecuacion_de_clapeyron.htmlhttp://www.ecured.cu/index.php/Ecuaci%C3%B3n_de_Clausius-Clapeyronhttp://es.wikipedia.org/wiki/Punto_triple