Q8.5. Equilibrio de fases en sistemas simples
El equilibrio de fases describe cuándo sólido, líquido y gas coexisten. Potencial químico, diagramas de fase y ecuaciones de Clapeyron conectan observación macroscópica con termodinámica.
Objetivos de aprendizaje
- Interpretar diagramas de fase de una sustancia pura.
- Usar potencial químico como criterio de equilibrio.
- Aplicar regla de fases de Gibbs.
- Relacionar presión de vapor con temperatura.
Mapa del capítulo
Criterio de equilibrio
En equilibrio de fases, el potencial químico de una sustancia es igual en las fases que coexisten. Si mu_liquido = mu_vapor, no hay tendencia neta a evaporar o condensar. Esta igualdad es más profunda que decir que las velocidades son iguales: expresa el mínimo de energía libre bajo restricciones.
Diagramas de fase
Un diagrama P-T muestra regiones de sólido, líquido y gas, líneas de coexistencia, punto triple y punto crítico. Cruzar una línea implica cambio de fase. En el punto triple coexisten tres fases; en el crítico desaparece la distinción líquido-vapor. La pendiente de la línea sólido-líquido puede ser negativa para agua porque el sólido es menos denso que el líquido.
Regla de fases
La regla de fases de Gibbs para sistemas no reactivos es F = C - P + 2, donde F son grados de libertad, C componentes y P fases. Para una sustancia pura con una fase, F = 2: se pueden variar T y P independientemente. En una línea de coexistencia, F = 1; en el punto triple, F = 0.
Clapeyron y Clausius-Clapeyron
La ecuación de Clapeyron relaciona la pendiente de una línea de equilibrio con Delta S/Delta V o Delta H/(T Delta V). Para vaporización, con gas ideal y volumen líquido despreciable, se obtiene Clausius-Clapeyron: ln P depende linealmente de -1/T si Delta Hvap es aproximadamente constante.
Ejemplo trabajado de lectura fisicoquímica
Al hervir agua a menor presión atmosférica, la temperatura de ebullición baja porque la condición de ebullición es igualdad entre presión de vapor del líquido y presión externa.
Errores frecuentes y cómo evitarlos
| Error | Corrección conceptual |
|---|---|
| Creer que ebullición siempre ocurre a 100 °C | Depende de la presión externa. |
| Confundir punto crítico y triple | El triple tiene tres fases; el crítico termina la frontera líquido-vapor. |
| Aplicar Clausius-Clapeyron sin aproximaciones | Supone vapor ideal y Delta Hvap casi constante. |
Autoevaluación
- Interpreta una línea de coexistencia en P-T.
- Usa la regla de fases para una sustancia pura.
- Explica por qué baja el punto de ebullición en altura.