Lectura de diagramas de fase y cambios de fase

CAMBIOS DE FASE Y DIAGRAMA DE FASES

DIAGRAMA DE FASES

El estado en el cual se encuentre una sustancia depende de dos variables: presión y temperatura.

Un diagrama de fases es una forma gráfica de resumir las condiciones en las cuales existen equilibrios entre los distintos estados de la materia.

Curva de presión de vapor o curva de vaporización:

CURVAS DE UN DIAGRAMA DE FASES

Representa el equilibrio entre los estados líquido y gaseoso (punto de ebullición). Termina en el punto crítico (C) que corresponde a la temperatura crítica (Tc), que corresponde a y presión crítica (Pc) de la sustancia.

Curva de fusión

Representa el equilibrio entre las fases líquida y sólida. La línea por lo general tiene una curva que se inclina hacia la derecha ya que para la mayoría de sustancias la fase sólida es más densa que la líquida

Curva de sublimación

Punto triple (T)

Representa el equilibrio entre las fases sólida y gaseosa . (Punto de sublimación).

Se define como el punto en el cual coexisten tres fases en equilibrio. En este punto se intersectan las curvas de fusión, vaporización y sublimación.

Fluído supercrítico

• Por encima del punto crítico las fases líquida y gaseosa son indistinguibles entre sí y la sustancia es un fluido supercrítico.

• Un fluido supercrítico es un fluido que tiene propiedades de los líquidos y los gases, se puede difundir como un gas y ser utilizado como solvente como un líquido.

• Por arriba del punto crítico el gas no puede ser licuado por compresión.

DIAGRAMA DE FASES

DIAGRAMA DE FASESDEL AGUA

DIAGRAMA DE FASESDE CH4

• ¿Cuál es la presión mínima a la cual el helio sólido puede existir?

10 atm

Ejemplo 2

• ¿Cuál es el punto de ebullición del helio I a 1.o atm de presión?

6K

No, primero debe pasar por helio I para poder cambiar su estado de líquido a gas.

• ¿Es posible que el helio II ebulla a 1.0 atm?

No, las fases sólida y gaseosa nunca están en equilibrio.

• ¿Es posible que el helio se sublime?

• ¿Cuántos puntos triples posee el helio? Indique sus valores de presión y temperatura.

Dos Pt1= (2K,10atm) y Pt2= (2.5K, 0.05atm)

Cambios de fase

Una fase es una parte homogénea de un sistema, y aunque está en contacto con otras partes del mismo, está separada de esas partes por un límite bien definido. Ejemplo (agua con hielo).

Los cambios de fase se presentan cuando se agrega o se quita energía (en forma de calor) ; y son cambios físicos que se distinguen porque cambian el orden molecular.

+entalpia de cambio de fase

Los procesos de cambio de fase se caracterizan porque durante el proceso la temperatura permanece constante.

Calor sensible

Calor latente (Ql)

El calor latente representa la transferencia de energía térmica que acompaña un cambio de fase.

Se conoce como calor sensible 𝑄𝑠 a la transferencia de energía térmica que ocurre debido a un gradiente de temperatura. .

𝑸𝒍=𝒏∆𝑯(𝒄𝒂𝒎𝒃𝒊𝒐 𝒅𝒆 𝒇𝒂𝒔𝒆)

𝑸𝒔=𝒎𝑪𝒑 ∆𝑻

Donde n= número de mol ∆𝑯(𝒄𝒂𝒎𝒃𝒊𝒐 𝒅𝒆 𝒇𝒂𝒔𝒆)= entalpía molar de cambio de fase (kJ)

Cálculo de calor latente

calor latente de vaporización

CALOR LATENTE DE FUSIÓN

• Es el calor requerido por la materia para cambiar su estado líquido a gaseoso.

• Es el calor requerido por la materia para cambiar su estado sólido a líquido.

𝑸𝒍𝒗𝒂𝒑=𝒏∆𝑯𝒗𝒂𝒑

𝑸(𝒍 𝒇𝒖𝒔𝒊ó𝒏)=𝒏∆𝑯𝒇𝒖𝒔í𝒐𝒏

• El proceso de vaporización es endotérmico (+) ya que debe absorber energía del entorno.
• El proceso inverso, el calor de condensación es igual en magnitud al calor de vaporización pero corresponde a un proceso exotérmico que libera energía (-).

• El proceso de fusión es endotérmico (+) ya que debe absorber energía del entorno.
• El proceso inverso, el calor de solidificación es igual en magnitud al calor de fusión pero corresponde a un proceso exotérmico que libera energía (-).

𝑸(𝒍 𝒔𝒐𝒍𝒊𝒅𝒊𝒇𝒊𝒄𝒂𝒄𝒊ó𝒏)=−𝒏∆𝑯𝒇𝒖𝒔í𝒐𝒏

𝑸(𝒍 𝒄𝒐𝒏𝒅𝒆𝒏𝒔𝒂𝒄𝒊ó𝒏)=−𝒏∆𝑯𝒇𝒖𝒔í𝒐𝒏

∆𝐻𝑠𝑢𝑏=∆𝐻𝑓𝑢𝑠+∆𝐻𝑣𝑎𝑝

CALOR DE SUBLIMACIÓN

Los valores de entalpía de fusión y vaporización son propiedades de la materia que se encuentran tabulados en la bibliografía. El cambio de entalpía de sublimación es igual en magnitud a la suma del cambio de entalpía de fusión y vaporización.

𝑸𝒍𝒔𝒖𝒃=𝒏∆𝑯𝑺𝒖𝒃

𝑸𝒍 𝒅𝒆𝒑𝒐𝒔𝒊𝒄𝒊ó𝒏=−𝒏∆𝑯𝒔𝒖𝒃

Curvas de calentamiento

Las curvas de calentamiento representan gráficamente un proceso térmico, en el cual la variable la variable independiente es el calor transferido, y la variable dependiente la temperatura.

• Los intervalos de temperatura en donde hay transferencia de calor sensible se representan mediante líneas inclinadas.

• Mientras que los intervalos en donde hay transferencia de calor latente, como líneas horizontales, dado que la temperatura permanece constante en los cambios de fase.

𝑄𝑇=𝑄(𝑆(𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿))+𝑄(𝐿(𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿))

Diagrama de fases del agua (extendido)

La temperatura crítica de una sustancia se define como la temperatura máxima a la cual un gas puede licuarse (condensarse) al aplicar presión. También representa la máxima temperatura en la que una sustancia puede existir en su forma líquida. La presión crítica representa la mínima presión que debe aplicarse para la licuefacción del gas a la temperatura crítica.

Utilice el diagrama de fases del metano CH4 que se muestra a continuación para responder las siguientes preguntas:

(-80°c,70atm)

1. ¿Cuáles son la temperatura y presión aproximada del punto crítico del metano?

2. ¿Cuáles son la temperatura y presión aproximada del punto triple?

(-180°C,0.1atm)

3. ¿En qué fase se encuentra el CH4 a 1 atm y O°C?

Gas

Se fusiona.

4. Si el CH4 sólido a 1 atm se calienta manteniendo constante la presión, ¿se fusiona o sublima?

Se convertirá en fluido supercrítico.

5. Si el CH4 a 1 atm y O°C se comprime hasta que ocurra un cambio de fase, ¿en qué estado se encontrará el metano cundo la compresión sea completa?