Fundamentos de Diagramas de Fases: Equilibrio Ternario y Sólido-Líquido

Introducción a los Diagramas de Fases y el Equilibrio Termodinámico

El Diagrama de Fases Ternario (ABC)

Los diagramas de fases ternarios son herramientas esenciales para representar la composición de sistemas de tres componentes (A, B y C) a temperatura y presión constantes. El diagrama se representa mediante un triángulo equilátero:

• Los vértices A, B y C representan los componentes puros, es decir, el 100% de A, B y C, respectivamente.
• Los porcentajes de A se representan en el lado AC. El porcentaje de A en todos los puntos de una línea paralela al lado BC es constante.
• Un punto en el lado BC representa el sistema binario BC, y por lo tanto, la composición en A es cero.

A medida que la paralela a BC es más próxima al vértice A, el sistema presenta un mayor porcentaje en A (como podemos observar en el lado AC) y menos en el resto de los componentes. La perpendicular que representa el porcentaje en A será cada vez mayor.

Miscibilidad en Sistemas Ternarios

Si los tres componentes A, B y C son líquidos, puede suceder que los líquidos A y B sean completamente miscibles, y también lo sean A y C, pero que B y C sean solo parcialmente miscibles.

La Curva Binodal (bKMc) y la Regla de las Fases

La curva binodal, marcada como *bKMc*, delimita las regiones de equilibrio de fases líquidas en el sistema ternario. Aplicando la *Regla de las Fases de Gibbs* (L = C - F + 2, donde C=3 componentes):

• Fuera de la curva bKMc: Cualquier punto fuera de la curva representa una capa líquida única (F=1). Si la temperatura y la presión se mantienen constantes, el sistema tiene dos grados de libertad (L' = C - F = 3 - 1 = 2). El sistema se define completamente fijando la composición de dos componentes.
• Interior de la curva binodal bKMc: En el interior de la curva, están en equilibrio dos capas líquidas (F=2). A temperatura y presión constantes, el sistema tiene un solo grado de libertad (L' = C - F = 3 - 2 = 1). El sistema se define completamente fijando el porcentaje de un solo componente.

Equilibrio Sólido-Líquido en Sistemas Binarios (CF, E, DG)

En este diagrama de equilibrio sólido-líquido para un sistema binario (C=2), T_A y T_B son las temperaturas de fusión de A y B puros.

Punto Eutéctico (E)

Ambas curvas se cortan en el punto *E*, conocido como el punto eutéctico, donde existe equilibrio entre la disolución y los sólidos A y B. En este punto coexisten tres fases en equilibrio (F=3: Sólido A, Sólido B y Líquido). Si la presión es constante, el número de grados de libertad, según la *Regla de las Fases de Gibbs* (L' = C - F + 1), será:

L' = 2 - 3 + 1 = 0

Esto significa que el punto eutéctico es invariante a presión constante.

Regiones del Diagrama

1. Región sobre la curva CED (Fase Líquida Única): En la región situada sobre la curva CED, solo puede existir la fase líquida (F=1). Si la presión es constante, el número de grados de libertad es L' = 2 - 1 + 1 = 2. Para definir el sistema, es necesario fijar la temperatura y la composición.
2. Regiones CEF y DEG (Equilibrio Sólido-Líquido): Estas regiones corresponden a los equilibrios entre el sólido A o B, respectivamente, y la disolución (F=2). Si la presión está fijada, existen un grado de libertad (L' = 2 - 2 + 1 = 1). Por lo tanto, solo es necesario fijar la temperatura o la composición de la fase líquida para definir el sistema.