TRANSICIONES DE FASE.

Transcripción

1 RANSCONES DE FASE.

2 Qué podemos deci de estos diagamas (Diagamas de Fase)? Una misma sustancia (agua en este caso) puede pesentase en muchas fomas posible (Fases: Gas o vapo líquida o solida y esta a su vez en múleples fases). Los cambios se poducen en puntos o líneas muy bien definidos. El agua coeiste en disentas fases a en estos líneas. ncluso en algunos puntos coeisten 3 fases (puntos tiples). aa pasa de una fase a ota es necesaio tansfei enegía aunque no nos movamos de punto (calo latente). La línea de coeistencia líquidogas temina en un punto (punto cí>co) donde el agua muesta unas popiedades especiales (opalescencia cí>ca). ás allá del punto cíeco no hay difeencia ente vapo y líquido. A lo lago de la línea de coeistencia vapo líquido podemos defini una canedad (paámeto de oden) que disengue una fase de ota.

3 Un diagama de fase más sencillo: un mateial feomagnéeco (imán).

4 Clasificación de las tansiciones de fase: Cambio del paámeto de oden con la vaiable de contol (tempeatua pesión campo magnéeco etc) Si es disconenuo : ansición disconenua o de º oden. Lleva asociada (en geneal) un calo latente. ueden pesenta histéesis témica. Si es conenuo: ansición conenua o de segundo oden. DisconEnuidad en C v y en k. (Eponentes cíecos Univesalidad) ConEnua o º oden DisconEnua o e oden

5 odemos fijanos en otas popiedades. Y tenemos otas tansiciones: ansición supeconductoa ansición odendesoden Cistales líquidos. ansición po desplazamiento : Feoelecticos.

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7 unto de vista de los potenciales temodinámico: consideemos un sistema (vasija de agua) que está en contacto con un esevoio de y. El volumen de equilibio seá aquel que minimiza la Enegía de Gibbs. odemos epesenta G(V) a y cte. (en geneal en función del paámeto de oden). Enegía de Gibbs subyacente (vitual). Si fijamos y epesentamos los mínimos de G(v) en función de. El potencial de Gibbs eal es la envolvente infeio de esta epesentación. Los puntos de tansición son aquellos en los que la funciones de Gibbs de las dis5ntas fase se igualan. G Líquido ( 0 0 ) G Gas ( 0 0 ) y ecodad que G/N

8 Cuva de coeistencia (tansición de e oden): Calo latente. Cuando calentamos hielo necesitamos. kj/kg paa subi un K. Cuando llegamos hasta la tempeatua de fundido necesitamos 335 kj/kg paa licualo y la tempeatua no cambia (calo latente). A pae de ahí hay que suminista 4. kj/kg (C del agua). (Ya que h s + g y la función de Gibbs mola es la misma) ansición sólidolíquido: calo latente de fusión. ansición líquidogas: calo de vapoización. ansición Sólidogas: Calo de vapoización. Estos caloes son independientes del camino po el que se llegue a la tansición.

9 Cuva de coeistencia (tansición de e oden): Ecuación de Clapeyon. La pendiente de la cuva de coeistencia (d/d) cc está deteminada po las popiedades de las dos fase que coeisten. Apoimación de ClausiusClapeyon (líquidogas o sólidogas): d d L R

10 (aéntesis) esión de Vapo ( V ): Es la pesión de la fase gaseosa en la cuva de coeistencia. Qué ocue cuando tenemos un ecipiente con un líquido o sólido a pesión meno que su pesión de vapo a cte? El líquido es inestable se foman bubujas de vapo (enta en ebullición) hasta que el gas evapoado alcanza la pesión de vapo. Si intoducimos gas a > v. El gas es inestable y condensa fomando gotas de líquido. Si el ecipiente está aislado adiabáecamente y disminuimos la pesión disminuye la tempeatua (si la pendiente de la cuva de coeistencia es posieva). Es un método de enfiamiento. A pesión atmosféica el agua se evapoa hasta que la pesión pacial del gas (sobe la supeficie del líquido) alcanza v a la tempeatua de tabajo. La humedad elaeva del aie se define como 00 gas / v (). A humedades de 00% no hay evapoación. El líquido está a > v y pemanece estable (salvo que 00 C).

11 sotemas nestables y ansiciones de Fases discon>nuas ( e oden). (Van de Waals) Condición de estabilidad: aa una pesión dada tenemos 3 valoes posibles del volumen mola cuál es el coecto? (mínima función de Gibbs)

12 La función mola de Gibbs () esta deteminada po la foma de la isotema ntegando a cte

13 Los puntos D y O está deteminados po la condición (constucción de awell)

14 O y D epesentan los puntos de equilibio de fase con volúmenes molaes v O (líquido) y v D (gas). El cambio en volumen lleva asociado un cambio en entopía (y po tanto un calo latente) y en enegía. Cuál es la composición en un punto de coeistencia (Z) de volumen mola v? (egla de la palanca no se estinge al sistema líquidogas) El punto (O D ) es el punto cí>co.

15 Ley de estados coespondientes: la condición que cumple el punto cíeco es Estas dos ecuaciones junto la ecuación de estado mecánica nos da: Definimos las vaiables adimensionales Esta es una elación UNVERSAL la cumplen divesas sustancias independientemente de su composición.

16 Qué tal se cumple esta ley? La cumplen muy bien aunque no sigan las ecuaciones de Van de Waals. Luego esta popiedad de univesalidad es más geneal que el fluido de VdW

17 Enegía subyacente (vitual) paa el fluido de VdW: a u cr ; s s0 + cr ln + Rln v ( v b) g u s + v cr a v "# s 0 + crln + Rln( v b) $ % + v Valoes de g'(v') paa van de Waals c 3. /c ' /c v' v/vc ' g' g*7b/(8a).6 coeistencia en equilibio.5 gas ' 0.6 g' g*7b/8a u' - 's' + (8/3)'v' líquido v'v/vc v/3b a ctes; g v eq a v R v b + 0 R v b a v

18 Sistemas mul>componentes: Regla de las fases de Gibbs. aa un sistema simple: aa un sistema mulecomponentes: La ecuación fundamental depende de + vaiables ya que Σ i i. En equilibio las funciones temodinámicas (U F H G) son funciones conveas de Si en algún momento no se cumplen los citeios de estabilidad ocuiá una tansición de fase y las facciones molaes difeián en cada fase. Las disentas fases pueden tene disenta composición..e. Una mezcla de agua y sal llevada a su punto de ebullición se sepaaá en una fase (gaseosa) ica en agua y una liquida ica en sal. Consideaemos cada fase como un sistema simple y el sistema total como un sistema compuesto con paedes no esticevas.

19 Concetando supongamos que tenemos un sistema de dos componentes a y ctes. El sistema puede esta en dos fases (líquida y sólida). Queemos detemina la composición en cada fase. La condición de equilibio ente los componentes en cada fase es ( ) ( ) ( ) ( ) L L S S L L S S Estas ecuaciones nos pemiten detemina X s y X L paa cualquie y. Hay 4 vaiables luego puedo toma independientes. Si tuviéamos tes fases ( ) obtendíamos 4 ligaduas (y 5 vaiables X X X ): ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Luego solo me queda un paámeto independiente. Si es la pesión queda fijada. Con 4 fases tengo 6 condiciones con seis vaiables luego todas queda fijas. Finalmente 5 fases no son posibles en un sistema de dos componentes. (8 ecuaciones paa 7 vaiables)

20 En geneal si hay componentes fases sea f nº de vaiables que podemos fija a voluntad (gados de libetad) se Eene: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ecuaciones ecuaciones ecuaciones! Hay: () ecuaciones y () facciones molaes: +() vaiables f [+()]() + + f Regla de la fases de Gibbs.

21 Diagamas de Fase de sistemas binaios (dos componentes): El potencial de Gibbs es función de y Las fases puas (liquido o gas) f gados de libetad (volumen) La coeistencia de dos fases (p.e liquido y gas) f + + gados de libetad emodinámica (los puntos de coeistencia seán supeficies en el espacio 3d ( y )

22 Si nos fijamos únicamente en una sección a cte. El punto C está en una zona inestable. En el punto C la mezcla se descompone en líquido con composición A y gas de composición B. La facciones de liquido y gas de la componente son (egla de la palanca). N liq N + liq N gas X X B B X X C A N liq N + gas N gas X X C B X X A A qué ocue cuando nos movemos a lo lago de la línea azul? cómo consegui una de las sustancias puas a pae de la mezcla?

23 Diagama binaio líquidosólido (a cte): BDHA línea liquida BEH y ACH línea sólida G pesenta una mezcla de líquido (H) y sólido a (F) K pesenta una mezcla de sólido b (L) y sólido a (J). El punto D (EutécEco). Coeisten 3 fase líquido (D) y sólidos (D y E). f (línea). unto de tempeatua más bajo paa el sólido.

24 ansiciones de fase conenuas (º oden): aámeto de oden vaía conenuamente en la tansición. Las deivadas segundas divegen. La divegencias esta caacteizadas po eponentes cíecos. t C C Sustancias muy disentas pesentan el mismo compotamiento cíeco (eponentes). CLASES DE UNVERSALDAD. Dependiente de la dimensionalidad del sistema. eoías que lo eplican: eoía de campo medio (Landau). Apoimada. Gupo de Renomalización.