El equilibrio de fases es el estudio de las condiciones (temperatura, presión, composición) bajo las cuales diferentes fases de la materia coexisten en equilibrio termodinámico. Los diagramas de fase proporcionan una representación gráfica de estas relaciones y son herramientas esenciales en ciencia de materiales, química e ingeniería.

Fase y Transiciones de Fase

Una fase es una región homogénea de materia con propiedades físicas y químicas uniformes, siendo las tres fases principales sólida, líquida y gaseosa. Las transiciones de fase incluyen fusión (sólido a líquido), congelación (líquido a sólido), vaporización (líquido a gas), condensación (gas a líquido), sublimación (sólido a gas) y deposición (gas a sólido). Durante una transición de fase a presión constante, la temperatura permanece constante mientras el calor se absorbe como calor latente o entalpía de cambio de fase.

Regla de las Fases de Gibbs

La regla de las fases relaciona el número de fases (P), componentes (C) y grados de libertad (F): F = C - P + 2. Los grados de libertad (F) son el número de variables intensivas (T, P, composición) que pueden cambiarse independientemente sin alterar el número de fases. Para un sistema de un componente (C = 1), F = 3 - P, por lo que en el punto triple (P = 3), F = 0 (invariante); a lo largo de un límite de fase (P = 2), F = 1 (univariante); y dentro de una sola fase (P = 1), F = 2 (bivariante).

Diagramas de Fase de Un Componente

El diagrama de fase del agua muestra tres fases: hielo (sólido), agua líquida y vapor (gas), y el límite sólido-líquido tiene pendiente negativa debido a la menor densidad del hielo en comparación con el agua líquida. El diagrama de fase del dióxido de carbono tiene un límite sólido-líquido positivo, y el punto triple está a 5,11 atm y -56,6°C; el CO2 sublima a presión atmosférica. El punto crítico marca la temperatura y presión por encima de las cuales las fases líquida y gaseosa se vuelven indistinguibles, formando un fluido supercrítico — para el agua, Tc = 374°C y Pc = 218 atm, mientras que para el CO2, Tc = 31°C y Pc = 73 atm.

La Ecuación de Clausius-Clapeyron

La ecuación de Clausius-Clapeyron describe la dependencia de la presión de vapor con la temperatura: dP/dT = ΔH/TΔV, donde ΔH es la entalpía de vaporización y ΔV es el cambio de volumen. Para el equilibrio líquido-vapor, la forma integrada es ln(P2/P1) = -ΔHvap/R × (1/T2 - 1/T1). La ecuación se utiliza para calcular la entalpía de vaporización a partir de mediciones de presión de vapor a diferentes temperaturas.

Diagramas de Fase Binarios

Los diagramas temperatura-composición (T-x) muestran el comportamiento de fases de mezclas de dos componentes en función de la composición a presión constante. Las soluciones ideales siguen la Ley de Raoult: Pi = x_iPi*, donde Pi es la presión parcial del componente i, x_i es su fracción molar y Pi* es su presión de vapor; las desviaciones positivas indican interacciones A-B más débiles, mientras que las desviaciones negativas indican interacciones A-B más fuertes. Los sistemas eutécticos tienen un punto eutéctico, que es la composición de fusión más baja en un sistema binario — la mezcla eutéctica funde a una temperatura única inferior a la de cualquiera de los componentes puros, y para NaCl/H2O la composición eutéctica es 23,3% NaCl a -21,1°C. Los sistemas azeotrópicos son mezclas líquidas que hierven a una composición constante; el etanol-agua forma un azeótropo de ebullición mínima al 95,6% de etanol (78,2°C), mientras que el ácido nítrico-agua forma un azeótropo de ebullición máxima.

Equilibrios Líquido-Líquido y Sólido-Líquido

Los líquidos parcialmente miscibles como el agua y el fenol muestran una temperatura de solución crítica superior (UCST) por encima de la cual los dos líquidos son completamente miscibles. Los diagramas de fase líquido-líquido también pueden mostrar una temperatura de solución crítica inferior (LCST), como se observa en agua-trietilamina y soluciones de polímeros. Los diagramas de fase sólido-líquido para sistemas eutécticos se utilizan en metalurgia para comprender el comportamiento de las aleaciones y en farmacia para diseñar cocristales farmacéuticos.

Fluidos Supercríticos

Por encima de la temperatura y presión críticas, las sustancias existen como fluidos supercríticos con propiedades intermedias entre líquidos y gases — densidad cercana a la de un líquido y viscosidad cercana a la de un gas. El CO2 supercrítico se utiliza ampliamente para la descafeinación del café, la extracción de aceites esenciales y como disolvente en química verde. El agua supercrítica se utiliza para gasificación de biomasa y destrucción de residuos debido a sus propiedades de solvatación únicas.