Diagrama de fases

Un diagrama de fase és la representació gràfica de les fronteres entre diferents estats d'agregació de la matèria d'un sistema, en funció de variables triades per a facilitar-ne l'estudi. És usat en termodinàmica i ciència de materials. Quan en una d'aquestes representacions totes les fases corresponen a estats d'agregació diferents se sol denominar diagrama de canvi d'estat. En ciència de materials s'utilitzen àmpliament els diagrames de fase binaris, mentre que en termodinàmica s'empren sobretot els diagrames de fase d'una substància pura.

Diagrama de fase d'una substància pura

Diagrama de fases de l'aigua

Els diagrames de fase més senzills són els de pressió - temperatura d'una substància pura, com pot ser el de l'aigua. En l'eix d'ordenades es col·loca la pressió i en el d'abscisses la temperatura. Generalment, per a una pressió i temperatura donades, el cos presenta una única fase excepte en les zones següents:

• Punt triple: En aquest punt del diagrama coexisteixen els estats sòlid, líquid i gasós. Aquests punts tenen cert interès, ja que representen un invariant i per tant es poden utilitzar per a calibrar termòmetres.
• Les parelles (pressió, temperatura) que corresponen a una transició de fase entre:
  • Dues fases sòlides: Canvi al·lotròpic;
  • Entre una fase sòlida i una fase líquida: fusió - solidificació;
  • Entre una fase sòlida i una fase vapor (gas): sublimació - deposició (o sublimació inversa);
  • Entre una fase líquida i una fase vapor: vaporització - condensació (o liqüefacció).

És important assenyalar que la corba que separa les fases vapor-líquid es deté en un punt anomenat punt crític. Més enllà d'aquest punt, la matèria es presenta com un fluid supercrític que té propietats tant dels líquids com dels gasos. Modificant la pressió i temperatura en valors al voltant del punt crític es produeixen reaccions que poden tenir interès industrial, com per exemple les utilitzades per a obtenir cafè descafeïnat.

Cal anotar que, en el diagrama PV de l'aigua, la línia que separa els estats líquid i sòlid té pendent negatiu, la qual cosa és quelcom prou inusual. Això vol dir que augmentant la pressió el gel es fon, i també que la fase sòlida té menor densitat que la fase líquida.

Diagrama de fase binari

Diagrama de fases binari: Aigua + solut

Quan apareixen diverses substàncies, la representació dels canvis de fase pot ser més complexa. Un cas particular, el més senzill, correspon als diagrames de fase binaris. Ara les variables a tenir en compte són la temperatura i la concentració, normalment en massa. En un diagrama binari poden aparèixer les regions següents:

• Sòlid pur o dissolució sòlida
• Mescla de dissolucions sòlides (eutèctica, eutectoide, peritèctica, peritectoide)
• Mescla sòlid - líquid
• Únicament líquid, ja siga mescla de líquids immiscibles (emulsió), ja siga un líquid completament homogeni.
• Mescla líquid - gas
• Gas (ho considerarem sempre homogeni, treballant amb poques variacions d'altitud).

Hi ha punt i línies en aquests diagrames importants per a la seva caracterització:

• Línia de liquidus, per damunt de la qual només hi ha fases líquides.
• Línia de solidus, per davall de la qual només hi ha fases sòlides.
• Línia eutèctica i eutectoide. Són línies horitzontals (isotermes) en les que tenen lloc transformacions eutèctiques i eutectoides, respectivament.
• Línia de solvus, que indica les temperatures per a les quals una dissolució sòlida (a) d'A i B deixa de ser soluble per a transformar-se en (a)+ substància pura (A o B).
• Concentracions definides, en les que tenen lloc transformacions a temperatura constant:
  • Eutèctica
  • Eutectoide
  • Peritèctica
  • Perictectoide
  • Monotéctica
  • Monotectoide
  • Sintèctica
  • Catatéctica