EQUILIBRIO DE FASES

PRACTICA NO. 1:

EQUILIBRIO DE FASES PARA SUSTANCIAS PURAS

OBJETIVOS:

 DETERMINAR LAS CONDICIONES DE EQUILIBRIO PARA SUSTANCIAS PURAS

 CALCULAR LOS CALORES DE VAPORIZACION Y SUBLIMACION DE SUSTANCIAS PURAS

 ESTIMAR EL PUNTO TRIPLE DE UNA SUSTANCIA PURA

 VERIFICAR LA VALIDEZ DE LA ECUACION CLAUSIUS-CLAPEYRON

 DETERMINAR LA ENTALPIA DE LA VAPORIZACION DEL AGUA

INTRODUCCION

El criterio para que coexistan dos fases de una sustancia pura es que sus energías de GIbbs sean iguales a una determinada temperatura y presión. Sin embargo cuando T o P cambia mientras que la otra variable se mantiene constante, una de las fases desaparecerá. Así, en determinado punto de una de las líneas de equilibrio de fases del diagrama P-T (gas-líquido, líquido-sólido, sólido-gas, o inclusive sólido-sólido).

Benoit Clapeyron publicó una solución para el caso de un líquido y su vapor. La presión de vapor se investiga porque, como el vapor en general se comporta como gas ideal, constituye en termodinámica uno de los medios más importantes para determinar las propiedades de un sólido o de un líquido.

Formulando el equilibrio de fases para una sola sustancia pura en los estados líquido y de vapor. Si la presión y la temperatura se hacen variar de manera infinitesimal conservando el equilibrio,

Como esta expresión sólo depende de T y P, las derivadas totales se pueden escribir como

Estas derivadas parciales pueden sustituirse mediante las relaciones de Maxwell

Si el cambio de entalpia molar a presión constante para la transformación de fase es , el término puede expresarse como

Se conoce como ecuación de Clapeyron y puede aplicarse a transiciones de evaporización, sublimación, fusión o fase sólida de una sustancia pura. Al efectuar la derivación no se hace ninguna suposición especial, y por lo tanto, es válida para el proceso general de equilibrio entre dos fases cualesquiera de la misma sustancia.

Para aplicar la ecuación de Clapeyron es necesario conocer la entalpía molar del proceso junto con la presión de vapor en el equilibrio. Si las dos fases son condensadas (sólida o líquida). Para integrar esta expresión de manera exacta, es preciso conocer y en función de la temperatura y presión; sin embargo, se pueden considerar constantes en intervalos de temperatura poco amplios. Para transiciones de sólido a líquido, es casi siempre positiva; suele ser positiva excepto en algunos casos.

se relacionan a temperatura constante por medio de la expresión Es conveniente señalar que las entalpías de sublimación, fusión y evaporación

La entalpía es una función de estado, y se requiere la misma cantidad de calor tanto para evaporar un sólido directamente como para pasar por una etapa de fusión intermedia con el fin de alcanzar el estado final de vapor.

Clausius plateó una modificación que mejoró la versatilidad de la expresión. Cuando una de las fases en equilibrio es una fase de vapor, se supone que es mucho más grande que , de manera que puede despreciarse en comparación de cuando la presión es aproximadamente 1 bar. La segunda suposición es remplazar por su equivalente de la ley de los gases ideales, RT/P.

O si la presion estándar es 1 atm,

Esta expresión se conoce como ecuación de Clausius-Clapeyron. Cuando la presión se expresa en otras unidades, se emplea para indicar el valor numérico de la presión. Para poder utilizar la ecuación se efectúa la integración suponiendo que es independiente de la temperatura y la presión.

Para el agua pura se dice que tanto el estado líquido como el gaseoso son fases únicas. Una fase única es uniforme en su totalidad, tanto por lo que respecta a la composición química como al estado físico, por lo cual se dice que es homogénea. Una subdivisión no produce nuevas fases.

Un sistema heterogéneo consta de más de una fase; las fases se distinguen entre sí porque están separadas por límites definidos.

Si se mezclan dos sustancias diferentes en estado sólido y cada una retiene su límite característico, la mezcla estará formada por dos fases. Aun cuando dos sólidos se fundan juntos para obtener una apariencia externa de fusión uniforme de tipo único, existirá más de una fase cuando se puedan distinguir al microscopio los límites de fase en el sólido.

Las mezclas sólidas y líquidas pueden estar formadas de diversas fases, pero los gases sólo existen en una fase a presión normal ya que se mezclan en todas proporciones para dar una mezcla uniforme.

Las variables asociadas con el criterio de equilibrio de la energía de Gibbs son las presión y la temperatura, por lo que es natural describir el equilibrio de fases en un diagrama de presión-temperatura.

Las áreas marcadas como sólido, líquido y vapor son regiones donde sólo existe una fase. En las regiones de una sola fase pueden existir valores arbitrarios de P y T dentro de las líneas que definen los límites de fase.

Las líneas continuas en el diagrama indican en qué condiciones las dos fases adyacentes se encuentran en equilibrio. Así la curva da la presión de vapor del agua hasta el punto crítico . Por lo tanto, esta línea define las presiones y temperaturas a las cuales pueden coexistir las fases líquida y gaseosa en equilibrio. La extensión de esta línea hasta B indica

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