Un diagramma di fase rappresenta quali fasi sono stabili in funzione delle variabili intensive del sistema, come temperatura, pressione e composizione. Per una sostanza pura il caso più comune è il diagramma P-T, in cui compaiono regioni di solido, liquido e gas separate da curve di equilibrio.
Le curve non sono confini cinetici: indicano condizioni di equilibrio termodinamico. Attraversarle significa cambiare la fase stabile, ma la velocità reale della trasformazione dipende da nucleazione, trasporto di calore, diffusione e impurità.
Elementi principali
| Elemento | Significato |
|---|---|
| regione monofase | zona in cui una sola fase è stabile |
| curva di coesistenza | condizioni in cui due fasi sono in equilibrio |
| punto triplo | coesistenza di tre fasi in una sostanza pura |
| punto critico | termine della curva liquido-vapore |
| curva solido-liquido | equilibrio di fusione o solidificazione |
| curva liquido-vapore | equilibrio di ebollizione o condensazione |
| curva solido-vapore | equilibrio di sublimazione o deposizione |
La pendenza delle curve di coesistenza è descritta dall’equazione di Clapeyron:
Per l’equilibrio liquido-vapore, con vapore ideale e volume del liquido trascurabile, si ottiene l’equazione di Clausius-Clapeyron.
Gradi di libertà
La regola delle fasi di Gibbs conta quante variabili intensive possono essere scelte indipendentemente:
Per una sostanza pura, C=1. In una regione monofase si ha P=1 e quindi F=2: temperatura e pressione possono variare indipendentemente. Su una curva di coesistenza, P=2 e F=1: scelta la temperatura, la pressione di equilibrio è fissata. Al punto triplo, P=3 e F=0: temperatura e pressione sono determinate.
Lettura ingegneristica
I diagrammi di fase servono a prevedere ebollizione, condensazione, fusione, solidificazione, sublimazione, cristallizzazione, formazione di miscele bifase e limiti di esercizio di processi termici. In chimica e ingegneria dei materiali si usano anche diagrammi temperatura-composizione, fondamentali per leghe, soluzioni, distillazione e separazioni.
Un errore comune è leggere il diagramma come se bastasse conoscere la temperatura. Questo è vero solo a pressione fissata. In generale lo stato stabile dipende dall’insieme delle variabili del diagramma; per questo ebollizione, fusione e sublimazione cambiano al variare della pressione.
Vedi anche: Stati della materia, Equazione di Clapeyron, Equazione di Clausius-Clapeyron, Regola delle fasi di Gibbs.