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Para explicar la regla de las fases, es importante definir primero algunos conceptos necesarios para la comprensión del equilibrio que se da en las fases de una sustancia.

Equilibrio Heterogéneo y Equilibrio dinámico

El equilibrio Heterogéneo es cualquier equilibrio existente entre varias fases.

El  Equilibrio dinámico Es cuando se tiene agua en equilibrio con su vapor. Es un estado en el que la velocidad con la cual las moléculas del líquido abandonan la fase líquida para escapar a la fase gaseosa es igual a la velocidad con la cual las moléculas del gas se condensan para retornar a la fase líquida. Conviene señalar aquí que el sistema «agua liquida-vapor» no se encuentra en reposo, ya que el número de moléculas por unidad de tiempo que abandonan la fase líquida para transformarse en gas, es exactamente igual al número de moléculas de gas por unidad de tiempo que se condensan y regresan a la fase líquida.

Equilibrio Verdadero

Un sistema está en equilibrio verdadero cuando se encuentra en equilibrio térmico, mecánico y químico. 

El equilibrio térmico se da cuando no existe flujo de calor desde una parte a otra del sistema. Un sistema heterogéneo formado por dos fases A y B requiere que: Ta = Tb. Si Ta ≠ Tb el sistema no se encuentra en equilibrio térmico.

Equilibrio mecánico se da cuando la presión es constante én todas las partes del sistema. Para las fases A y B se deberá cumplir: Pa = Pb

El equilibrio químico de un sistema se produce cuando la velocidad de cada reacción en un sentido es igual a la velocidad de reacción en sentido opuesto. Esto supone un intercambio reversible y dinámico de materia entre las distintas partes del sistema. Suponiendo que dos fases de un sistema contienen ambas una sustancia que posee un potencial químico μa en una de las fases, y μb en la otra, en el equilibrio se debe cumplir que μA = μb.

Un estado de equilibrio verdadero se alcanza, por ejemplo, con el hielo y el agua a 1 atm de presión y a 0°C.

Temperatura de fusión = Temperatura de congelación = 0°C
Presión de fusión = Presión de congelación = l atm
μ del hielo = μ del agua líquida

A esa presión la temperatura a que se encuentran en equilibrio las fases sólida y líquida es la misma, tanto si ésta se alcanza por fusión parcial del hielo o por congelación parcial del agua.

Equilibrio metaestable

Ocurre un estado de equilibrio metaestable cuando el sistema se encuentra en equilibrio térmico, mecánico y químico, pero no en el estado más estable que se pueda alcanzar. Así por ejemplo, es posible obtener agua líquida a -5°C, en condiciones de sobrenfriamiento; esto no se logra por fusión del hielo. Si se añade un pequeño cristal de hielo (cristal germen), toda el agua solidifica rápidamente y la temperatura se eleva a 0°C.

Equilibrio inestable

Se dice que existe un estado de equilibrio inestable o aparente cuando la aproximación a la posición de equilibrio es tan lenta que el sistema parece no llevar a cabo cambio alguno con el tiempo.

Grados de libertad o variancia Grados de libertad

Es el menor número posible de variables independientes (P, T y concentraciones de las diferentes fases) que deben especificarse para poder describir completamente su estado.

Supongamos, por ejemplo, que se requiere obtener un valor para la densidad del agua en una tabla de densidades; es necesario conocer los valores de presión y temperatura, pero una vez que éstos se establecen solamente hay un único valor posible para la densidad. En este caso el sistema presenta dos grados de libertad, es decir, es bivariante, ya que requiere especificar dos variables. Si se fija solamente el valor de la presión, las tablas proporcionan una lista de valores de densidad a diferentes temperaturas.

Regla de las fases

En 1876, Willard Gibbs dedujo, para un sistema macroscópico que se encuentre en un estado de equilibrio heterogéneo y que únicamente sea influido por variaciones de temperatura, presión y concentración, la existencia de una relación simple entre el número de fases en equilibrio, de componentes y de grados de libertad o variables independientes que deben especificarse para describir completamente el estado de un sistema.

Esta relación, conocida con el nombre de «regla de las fases», se suele escribir usualmente mediante la siguiente expresión:

F + L = C + 2

en donde: F= Número de fases.
L= Grados de libertad.
C= Componentes.

Cuando el sistema es bifásico presenta un sólo grado de libertad (L = 1), es decir, es monovariante o univariante. Cuando el sistema es trifásico no presenta ningún grado de libertad (L = 0), es decir, es invariante, ya que las condiciones están por completo especificadas. La regla de las fases para sistemas de un sólo componente (C = 1) se reduce a:

F + L = C + 2 F + L = 1 + 2

F + L = 3=>L = 3- F

de manera que si hay una sola fase en equilibrio, L = 2 y se deben especificar dos variables independientes para describir el sistema. Si hay una sola fase: el agua, la presión y la temperatura pueden variarse arbitrariamente en intervalos muy grandes. Los grados de libertad son dos: por ejemplo, el agua puede mantenerse líquida a cualquier temperatura desde su punto de congelación hasta su punto de ebullición, con cualquier presión aplicada.

Si hay dos fases en equilibrio, L = 1 y se debe especificar una variable independiente (la presión o la temperatura) para describir completamente el sistema. Por ejemplo, si en el sistema están presentes la fase de vapor de agua en equilibrio con la fase de agua líquida, sólo se requiere especificar la presión o la temperatura, ya que para una temperatura determinada existe sólo una presión de equilibrio definida: la presión de vapor del agua a dicha temperatura y a una presión dada corresponde sólo a una temperatura de equilibrio.

Si existen tres fases en equilibrio, L = 0 y no es necesario especificar ninguna variable, ya que tanto la presión como la temperatura quedan perfectamente definidas. Esta condición se denomina «punto triple», el cual es invariante. Tiene lugar (en el caso del equilibrio hielo, agria líquida y vapor) a la temperatura de +. 0,0099°C y a la presión de 4,579mmHg.

En el cuadro adjunto se representa cada uno de los tres casos estudiados, con el objeto de ilustrar la regla de las fases.

En el cuadro adjunto se representa cada uno de los tres casos estudiados, con el objeto de ilustrar la regla de las fases.

Ahora que conocemos las reglas de las fases, procederemos a estudiar el diagrama de equilibrio de las fases: https://www.dragiinfo.com/diagrama-de-equilibrio-de-fases/

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